Een batterij die tientallen keren dunner is dan een mensenhaar, maar na honderd laadcycli nog energie kan opslaan. Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een ultradunne vastestofbatterij ontwikkeld die slechts 2,77 micrometer dik is. Dankzij een slimme combinatie van tin en koolstof kan de technologie een belangrijke stap betekenen voor medische implantaten, wearables en draadloze sensoren.
Onderzoekers van de Zuid-Koreaanse Dongguk University hebben een nieuwe manier gevonden om een hardnekkig probleem bij lithiumbatterijen aan te pakken: het verlies van actief lithium tijdens het opladen en ontladen. Hun oplossing is een speciale coating die ervoor zorgt dat lithium zich gelijkmatiger afzet.
De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials. De universiteit bracht het onderzoek op 3 november opnieuw onder de aandacht.
De nieuwe batterij is een zogenoemde anodeless solid-state battery: een vastestofbatterij zonder vooraf aangebrachte lithiumanode. Bij het eerste opladen verplaatst lithium zich vanuit de kathode naar een koperen stroomcollector, waar het een nieuwe anode vormt. Daardoor kan de batterij compacter worden gebouwd.
Maar deze aanpak heeft een zwakke plek. Lithium kan zich ongelijkmatig afzetten of elektrisch geïsoleerd raken. Dit zogenoemde ‘dode lithium’ doet niet langer mee aan het laadproces, waardoor de batterij geleidelijk capaciteit verliest.
Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Hyun-Suk Kim, testte verschillende coatings op de koperen stroomcollector. Een combinatie van tin en koolstof bleek het beste te presteren. Beide materialen vervullen een eigen functie. Tin verlaagt de energiedrempel waarbij lithium zich begint af te zetten, terwijl koolstof de verdere groei helpt reguleren.
De onderzoekers voegden bovendien een kleine lithiumreserve toe om verliezen tijdens de eerste laadcycli op te vangen. Tijdens het opladen ontstaat een driedimensionale structuur van tin en lithium-tin die veranderingen in volume en vorm beter kan opvangen. Volgens de onderzoekstoelichting van Dongguk University verbetert dit de stabiliteit van de batterij.
De batterij is slechts 2,77 micrometer dik. Dat is tientallen keren dunner dan een menselijke haar. Ondanks die minimale afmetingen behaalde de batterij na honderd laadcycli nog een volumetrische energiedichtheid van 235,13 wattuur per liter (Wh/L).
De batterij bestaat uit een kathode van lithiumvanadiumoxide, een vaste LiPON-elektrolyt en de aangepaste koperen stroomcollector. Dat is een interessante prestatie voor een ultradunne batterij, maar er is een belangrijke kanttekening. De onderzoekers testten de batterij bij een zeer lage laad- en ontlaadsnelheid van 0,01 C. Daardoor zeggen de resultaten nog weinig over de prestaties bij hogere vermogens. Ook zijn honderd laadcycli onvoldoende om vast te stellen hoe lang de batterij onder praktijkomstandigheden meegaat.
De grootste kansen liggen voorlopig bij elektronica die weinig energie verbruikt en nauwelijks ruimte beschikbaar heeft. Denk aan draadloze meetsensoren, slimme pleisters en medische implantaten.
Voor zulke toepassingen is niet alleen de energiedichtheid belangrijk. Ook de totale opslagcapaciteit, productie op grotere oppervlakken en betrouwbaarheid bij duizenden laadcycli zullen doorslaggevend zijn.
De Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben daarmee nog geen commercieel inzetbare superbatterij ontwikkeld. Wel laten ze zien dat nauwkeurige materiaalengineering op microschaal een oplossing kan bieden voor problemen die ook grotere vastestofbatterijen beperken.