Onderzoekers uit de Verenigde Staten hebben een eenvoudige methode ontdekt om de levensduur van lithium-metaalbatterijen te verlengen: ze volledig ontladen en vervolgens een moment laten rusten.
“We wilden de gemakkelijkste, goedkoopste en snelste manier vinden om de levensduur van lithium-metaalbatterijen te verbeteren”, zegt Wenbo Zhang, een doctoraatsstudent in materiaalwetenschappen en techniek aan de Stanford Universiteit in de VS en een van de hoofdauteurs van de nieuwe publicatie in het tijdschrift Nature.
“We ontdekten dat door de batterij in een ontladen toestand te laten rusten, we verloren capaciteit kunnen herstellen en de levensduur kunnen verlengen. Deze verbeteringen kunnen worden bereikt door de batterij management software te herprogrammeren, zonder extra kosten of veranderingen in apparatuur, materialen of productiestromen.”
Lithium-metaalbatterijen gebruiken metallisch lithium in hun anodes (het gedeelte van de batterij dat elektronen levert), waardoor ze verschillen van lithium-ionbatterijen die lithiumverbindingen in hun kathodes (het gedeelte van de batterij dat elektronen accepteert) gebruiken. Qua massa kunnen ze aanzienlijk meer energie opslaan dan lithium-ionbatterijen.
“Een auto uitgerust met lithium-metaalbatterijen zou tweemaal zo ver kunnen rijden als een voertuig met lithium-ionbatterijen van dezelfde grootte – bijvoorbeeld 600 mijl op één lading in vergelijking met 300 mijl”, zegt medeauteur Philaphon Sayavong, een doctoraatsstudent in de scheikunde aan Stanford.
Huidige commerciële lithium-metaalbatterijen zijn voornamelijk voor eenmalig gebruik. Dit komt doordat het metallisch lithium en andere verbindingen in de batterijen met elkaar reageren en snel degraderen tijdens ontlading.
Specifiek raken lithiumdeeltjes gevangen in de elektrolyt – de stof waarin geladen deeltjes bewegen, waardoor stroom ontstaat. De onderzoekers verwijzen hiernaar als de “solid-electrolyte interphase” (SEI) matrix.
“De SEI-matrix is in feite een ontbonden elektrolyt”, zegt Zhang.
“Het omringt geïsoleerde stukjes metallisch lithium, die loskomen van de anode en voorkomt dat ze deelnemen aan enige elektrochemische reactie. Daarom beschouwen we geïsoleerd lithium als ‘dood’.”
Wetenschappers hebben complexe chemische mengsels en gedetailleerde elektrische technieken voorgesteld om deze degradatie te remmen.
Maar Savayonga en zijn collega’s eerdere onderzoek toonde aan dat de SEI-matrix begint op te lossen wanneer de batterij inactief is. De onderzoekers besloten verder te onderzoeken.
“De eerste stap was om de batterij volledig te ontladen, zodat er geen stroom doorheen gaat”, zegt Zhang.
“Bij ontlading wordt al het metallisch lithium uit de anode verwijderd, waardoor alleen inactieve, losgekoppelde lithiumstukjes overblijven, omringd door de SEI-matrix.
Vervolgens lieten ze de ontladen batterij rusten.
“We ontdekten dat als de batterij slechts één uur in een ontladen toestand rust, een deel van de SEI-matrix rond het ‘dode’ lithium oplost”, zegt Sayavong.
“Als gevolg hiervan verbindt het ‘dode’ lithium zich opnieuw met de anode wanneer de batterij wordt opgeladen, omdat er minder stabiele massa is die het hindert.”
Dit verhoogt de capaciteit van de batterij voor ontlading. De onderzoekers gebruikten videomicroscopie om te bevestigen wat er gebeurt.
“We dachten eerder dat dit energieverlies onomkeerbaar was”, zegt Yi Cui, de senior auteur van het onderzoek en een materiaalwetenschappen professor aan Stanford.
“Maar ons onderzoek heeft aangetoond dat we de verloren capaciteit kunnen herstellen door simpelweg de ontladen batterij te laten rusten.”
Veelgestelde vragen over Lithium-Metalen Batterijen:
1. Wat zijn de voordelen van lithium-metaalbatterijen in vergelijking met lithium-ionbatterijen?
Lithium-metaalbatterijen kunnen nog energiedichter zijn dan lithium-ionbatterijen en hebben een hogere capaciteit. Bijvoorbeeld, een auto uitgerust met lithium-metaalbatterijen kan tweemaal zo ver rijden als een auto met lithium-ionbatterijen.
2. Waarom hebben lithium-metaalbatterijen een korte levensduur?
Op dit moment degraderen lithium-metaalbatterijen snel tijdens ontlading, wat resulteert in een korte levensduur.
3. Hoe hebben onderzoekers van Stanford University de levensduur van lithium-metaalbatterijen verlengd?
Onderzoekers ontdekten dat het volledig ontladen en vervolgens laten rusten van de batterij de levensduur kan verlengen. Na een uur rusten in een ontladen toestand lost een deel van de SEI-matrix (solid-electrolyte interphase) die geassocieerd is met batterijdegradatie op.
4. Hoe kunnen deze verbeteringen worden bereikt bij lithium-metaalbatterijen?
Verbeteringen kunnen worden bereikt door de batterij management software te herprogrammeren, zonder extra kosten of veranderingen in apparatuur, materialen of productiestromen.
5. Hoe werkt de SEI-matrix in lithium-metaalbatterijen?
De SEI-matrix bestaat uit ontbonden elektrolyt die geïsoleerde stukjes metallisch lithium omringt, waardoor ze niet kunnen deelnemen aan elektrochemische reacties. Onderzoekers beschouwen geïsoleerd lithium als ‘dood’.
6. Wat gebeurt er wanneer de batterij rust in een ontladen toestand?
Wanneer de batterij een uur in een ontladen toestand rust, lost een deel van de SEI-matrix rond het ‘dode’ lithium op. Daardoor verbindt het ‘dode’ lithium zich opnieuw met de anode wanneer de batterij wordt opgeladen, waardoor de capaciteit van de batterij voor ontlading toeneemt.
Voorgestelde gerelateerde links:
– Nature – officiële website van het tijdschrift Nature waar dit wetenschappelijk werk is gepubliceerd.
– Stanford University – officiële website van Stanford University waar het onderzoek naar lithium-metaalbatterijen is uitgevoerd.
The source of the article is from the blog newyorkpostgazette.com