Voor elektrische voertuigen bijvoorbeeld is de belangrijkste overweging om batterijen te hebben die zo weinig mogelijk wegen. Dat vraagt een hogere energiedichtheid dan wat vandaag mogelijk is. En in tegenstelling tot wat nodig is voor de meeste draagbare elektronica, wordt de maximum elektriciteitsstroom die een batterij kan leveren ook belangrijker. De snelheid waarmee een auto kan aanzetten, maar ook de tijd die nodig is om het voertuig op te laden, hangt immers af van hoe snel energie in en uit de batterij kan stromen. En als we denken aan toepassingen zoals netbeheer en –opslag, dan wordt de kost en daarmee samenhangend een hoge levensduur cruciaal.
Li-ion technologie heeft nog wat ruimte om te verbeteren, maar niet genoeg voor wat nodig is voor alle nieuwe toepassingen. We hebben dus nood aan batterij-innovatie: nieuwe anode- en kathode-architecturen met een hogere energiedichtheid en nieuwe elektrolyten met de nodige geleidbaarheid en veiligheid!
Waarom vaste elektrolyten in plaats van vloeibare?
Elektrolyten vormen het medium waardoor de ionen stromen tussen de twee batterij-elektrodes, de anode en de kathode. In Li-ion batterijen is dat elektrolyt vloeibaar. Het vult niet alleen het poreuze membraam dat tussen de elektrodes is geplaatst, maar verzadigd ook die elektrodes zelf die bestaan uit poeders van kleine partikels. Het elektrolyt vult alle gaten en maakt op die manier een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen elektrolyt en elektrode. De belangrijkste eigenschap van dat elektrolyt is zijn geleidbaarheid: de snelheid waarmee ionen van kant kunnen veranderen (uitgedrukt in milliSiemens per centimeter of mS/cm). Hoe hoger die geleidbaarheid, hoe sneller een batterij kan opladen, maar ook hoe meer elektriciteit ze op korte tijd kan vrijgeven.
Het vloeibare elektrolyt vervangen door een vaste stof zou het mogelijk maken om het membraan te verwijderen en de elektrodes veel dichter bijeen te plaatsen, waardoor de batterij compacter zou worden en dus ook een hogere energiedichtheid zou hebben. Maar tot nu toe hadden de gebruikte vaste elektrolyten niet voldoende geleidbaarheid. LiPON (lithium/fosfaat-zout gedopeerd met stikstof) heeft bv. een geleidbaarheid van amper 10-7-10-6 S/cm. Met dergelijke geleidbaarheid kan een elektrolyt niet dikker worden dan een micrometer. De enige praktische toepassingen zijn vlakke dunnefilm-batterijen waarin de ionen maar een zeer korte afstand moeten overbruggen. Zo’n batterijen zijn geschikt voor micro-opslag, bijvoorbeeld in combinatie met energie-oogsten uit warmte of beweging. Maar voor andere toepassingen is de capaciteit veel te klein.
Een doorbraak in vaste elektrolyten
Op zoek naar nieuwe elektrolyten voor batterijen met een grote capaciteit, zijn de imec wetenschappers gaan kijken bij nanocomposietmaterialen. In November vorig jaar werd een eerste resultaat aangekondigd: een vorm van composietmaterialen die de geleidbaarheid van vloeibare elektrolyten versterkt.
Imec heeft nu een plan opgezet om elektrolyten te ontwikkelen met een geleidbaarheid tot 100mS/cm, tien keer beter dan de gangbare vloeibare elektrolyten.
Een bijzondere eigenschap van het nieuwe composiet-elektrolyt (SCE) is dat het wordt aangebracht als een vloeistof en pas achteraf in een vaste stof wordt omgezet. Op die manier is het perfect geschikt om gebruikt te worden met poeders waarin de partikels dicht opeengepakt zitten en waarin het alle openingen kan vullen, juist zoals een vloeistof dat zou doen. Bovendien blijft het nieuwe materiaal elastisch, ook in vaste vorm, wat belangrijk is omdat de elektrodes opzwellen tijdens het laden. En als laatste voordeel: doordat het als vloeistof wordt aangebracht, is dit nieuwe elektrolyt compatibel met de manier waarop batterijen ook vandaag gemaakt worden. Daardoor is het voor de batterijfabrikanten veel gemakkelijker om dit elektrolyt te gaan gebruiken, dan om een ander elektrolyt in te voeren waarvoor ze hun productieprocessen moeten omgooien.
Imecs nieuwe vaste elektrolyt is een nanoporeuze oxidematrix waaraan specifieke stoffen zijn toegevoegd. Het unieke is dat de geleidbaarheid hoger is dan dat van lithiumzouten zonder de oxidematrix. Dat versterkende effect wordt toegeschreven aan een verhoogde mobiliteit van de ionen aan het oppervlakte van het oxidemateriaal. En aangezien dat materiaal een oppervlakte heeft van 500m2/mL – een olympisch zwembad in een vingerhoed – komt de geleidbaarheid uit boven dat de 10 mS/cm van gewone vloeibare elektrolyten
Met het nieuwe elektrolyt hebben imecs ingenieurs al een prototype batterij gemaakt, op basis van bestaande elektrodes: LFP (LiFePO4) voor de kathode en LTO voor de anode. Die batterij had reeds een laadsnelheid vergelijkbaar met klassieke batterijen: 80% van de capaciteit werd bereikt na een uur (1 C). En het kan nog veel beter: berekeningen tonen dat het nieuwe materiaal in theorie een tien maal hogere geleidbaarheid kan bereiken, tot 100 mS/cm. Dat is dan ook het voorlopige doel dat imec zich heeft gezet in zijn onderzoeksprogramma.
Het nieuwe vaste elektrolyt van imec en Panasonic
Kleine partikels, hogere energiedensiteit
Om batterijen te maken voor elektrische voertuigen met bv. een langere actieradius dan vandaag, zal er meer nodig zijn dan nieuwe elektrolyten. We zullen ook elektrodes moeten maken die meer actief materiaal bevatten en een groter contactoppervlak hebben. De oplossing lijkt gemakkelijk: gebruik nog kleinere partikels die nog dichter opeengepakt kunnen worden.
Maar hier zijn de problemen hetzelfde als voor het verbeteren van de huidige Li-ion batterijen: een groter contactoppervlak zorgt tegelijk voor meer schadelijke oppervlaktereacties die de levensduur van de batterij naar omlaag halen. Daarom werken imecs specialisten aan een oplossing die de partikels voorziet van een ultradunne stabiele isolatielaag. Dat kan door gebruikt te maken van ALD (atomaire-laag depositie), een van de expertises van imec. Die laag moet natuurlijk scheikundig neutraal zijn en zeer geleidbaar om het positieve effect van het grotere oppervlakte niet opnieuw teniet te doen.
Als we een dergelijk dun laagje kunnen aanbrengen op nanopartikels wordt het dus mogelijk om die in batterijen te gebruiken. En het vaste elektrolyt maakt het mogelijk om dikkere elektrodes te gaan gebruiken. Samen geeft dat batterijen met een veel hogere energiedichtheid, hoger dan het huidige maximum van 800 Wh/l, en een snelheid boven 2C (de batterij opladen in minder dan 30 minuten).
Om dan nog sterkere batterijen te maken, met een dichtheid van meer dan 1,000 Wh/L, werkt imec bovendien aan anodes van puur lithium, het materiaal met de hoogst mogelijke energiedichtheid, en dus de heilige graal voor herlaadbare batterijen. Maar tot nu toe kon het enkel gebruikt worden in primaire of niet herlaadbare batterijen. Voor herlaadbare batterijen is het probleem dat het herladen ervoor zorgt dat er lithiumnaalden groeien tussen de elektrodes. Dat kan op een bepaald moment voor een kortsluiting zorgen, wat de levensduur van de batterijen naar beneden kan halen . Imec gelooft dat het ook dit probleem kan oplossen door een combinatie van het vaste elektrolyt en dunne bufferlagen.
Krachten bundelen
De voorbije tien jaar bestond het onderzoek naar betere batterijen er vooral in om de elektrodematerialen en bestaande Li-ion technologie te verbeteren. Meer disruptieve veranderingen, zoals het invoeren van een vaste elektrolyt, zal een volgehouden en gezamenlijke inspanning vragen van alle spelers in de batterijproductie.
Bij imec kunnen wij onze expertise in nanomateriaal daarbij als hefboom gebruiken, een expertise die we opgebouwd hebben tijdens tientallen jaren onderzoek naar betere chiptechnologie. Een voorbeeld is de knowhow in mesoporeuze materialen voor low-k dielectrica in chips. Die expertise heeft nu bijgedragen tot de ontwikkeling van het nieuwe vaste elektrolyt. Op dezelfde manier gebruiken we onze ervaring met het deponeren van atomaire laagjes om een innovatieve coating te bedenken voor de nanopartikels in de batterij-elektrodes.
Wanneer dit onderzoek nu kan worden gecombineerd met de inspanningen van leveranciers van materialen en batterijen, dan ligt de weg open naar betere, veiliger batterijen voor een elektrische toekomst.
Imec’s ontwikkeling van volgende generaties batterijen is ingebed in een open- innovatieprogramma, waarvan Panasonic één van de partners is. De onderzoek gebeurt in het kader van EnergyVille, een onderzoeksinitiatief die de expertise van imec, de KU Leuven, VITO, en de universiteit van Hasselt samenbrengt om zo duurzame en intelligente energiesystemen te ontwikkelen. Een volgende stap is om de huidige ontwikkelingen op te schalen in het nieuwe batterijlab op de EnergyVille campus.
Meer weten?
