Van laptops tot smartphones tot de snelgroeiende elektrische auto-industrie, onze wereld is steeds afhankelijker van oplaadbare batterijen. Maar zoals iedereen die al meer dan een paar jaar een laptop heeft, weet, verliezen batterijen uiteindelijk hun vermogen om volledig opgeladen te blijven.
Wetenschappers hebben nooit echt begrepen waarom dit gebeurt, waardoor het moeilijk is om dit op te lossen. Maar volgens een paar recente studies van onderzoekers van het Amerikaanse ministerie van Energie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, zijn we misschien dichter bij een batterij die niet achteruitgaat.
Specifiek werkend met lithium-ionbatterijen, die gewoonlijk in consumentenapparaten worden gebruikt vanwege hun lichte gewicht en hoge capaciteit, hebben de wetenschappers het laad- en ontlaadproces tot op een miljardste van een meter in kaart gebracht om beter te begrijpen hoe degradatie precies werkt. Ze ontdekten twee daders in batterijverslechtering. De eerste: microscopische kwetsbaarheden in de structuur van het batterijmateriaal sturen de lithiumionen lukraak door de cel, waardoor de batterij op schijnbaar willekeurige manieren wordt geërodeerd, net zoals roest zich verspreidt over imperfecties in staal. In het tweede onderzoek, gericht op het vinden van de beste balans tussen spanning, opslagcapaciteit en maximale laadcycli, vonden onderzoekers niet alleen vergelijkbare problemen met de ionenstroom, maar ook kleine opeenhopingen van nanoschaalkristallen die zijn achtergelaten door chemische reacties, die de stroom van ionen om na elke lading nog onregelmatiger te worden. Batterijen op hogere spanningen laten werken leidde ook tot meer onregelmatigheden in het ionpad en dus tot een sneller verslechterende batterij.
gerelateerde inhoud
- Elektrische auto's kunnen steden koeler maken
Het lijkt erop dat wetenschappers de batterij volledig hadden moeten begrijpen - een technologie die effectief is sinds 1800 - decennia geleden. Maar Huolin Xin, een materiaalwetenschapper bij Brookhaven Lab en co-auteur van beide studies, zegt dat de winnende combinatie van nieuwe technologieën pas onlangs beschikbaar kwam.
"Veel geavanceerde karakteriseringstools, zoals aberratie-gecorrigeerde elektronenmicroscopen en nieuwe synchrotron röntgentechnieken, waren 10 jaar geleden niet beschikbaar, " zegt Xin. Maar nu, zegt hij, kunnen ze worden toegepast bij de studie van lithium-ionbatterijen.
De nieuwe gegevens geven onderzoekers een duidelijker beeld van hoe deze batterijen werken, wat zou kunnen leiden tot batterijen met een langere levensduur in consumentenelektronica in de niet al te verre toekomst. Maar het levert ook nieuwe problemen op. Xin zegt dat het maximaliseren van het oppervlak belangrijk is voor de prestaties van de batterij, maar een groter oppervlak vergemakkelijkt waarschijnlijk ook degradatie.
"Om [aantasting van het oppervlak] te voorkomen, kunnen we de kathode coaten met een beschermlaag, " zegt Xin, "of deze oppervlakken verbergen door grenzen te creëren in de poeders ter grootte van een micron [in de cel]."
Het vinden van de meest efficiënte, kosteneffectieve manieren om dit te doen, zal deel uitmaken van een toekomstige fase van het onderzoek.
Maar Daniel Abraham, een wetenschapper gericht op onderzoek naar lithium-ionbatterijen in het Argonne National Laboratory buiten Chicago, is sceptisch dat de nieuwe studies een echte doorbraak betekenen. Hij zegt dat het in kaart brengen van werk met vergelijkbare materialen in het verleden is gedaan, onder meer door zijn team ongeveer 12 jaar geleden. Hij gelooft ook dat batterij meer achteruitgaat dan wat de nieuwe onderzoeken hebben ontdekt.
"Ze proberen een verband te leggen tussen prestatievermindering en de foto's die ze zien, wat misschien niet correct is, " zegt Abraham. "Het is gedeeltelijk het verhaal, maar ik denk niet dat het het hele verhaal is."
Xin is optimistischer dat het werk zal leiden tot batterijverbeteringen, niet alleen voor toekomstige elektrische voertuigen, maar ook voor draagbare elektronica.
"Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide-kathode is onlangs geïdentificeerd als het enige commercieel haalbare materiaal voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen, " zegt Xin. "Door het degradatieprobleem op te lossen, kunnen we de volgende generatie batterijen kleiner maken en ze betrouwbaarder laden en ontladen."
De twee batterij-experts zijn het er echter wel over eens dat voor veel belangrijke toekomstige toepassingen het vinden van een manier om batterijen te maken die niet zo snel verslijten net zo belangrijk is als het maken van batterijen met een grotere capaciteit.
Xin wijst erop dat kopers van elektrische auto's zich terecht zorgen maken over het uitvallen van de batterij nadat hun garantie is verlopen. Abraham merkt op dat hoewel je waarschijnlijk maar een paar jaar prestaties nodig hebt van de batterij van je smartphone of tablet, de meeste eigenaren op zoek zijn naar een batterij die 10 tot 15 jaar meegaat. En voor gebruik in het elektriciteitsnet (om overtollige energie op te slaan die tijdens de daluren wordt geproduceerd), moeten batterijen 30 jaar of langer meegaan.
Dat maakt het bouwen van een betere batterij voor uw laptop een stuk eenvoudiger dan het oplossen van levensduurproblemen in andere gebieden.
"Het is goed om een hogere energiedichtheid te hebben, maar als je een hoge energiedichtheid krijgt maar geen lange levensduur, dan komt de commerciële levensvatbaarheid van die technologieën in twijfel", zegt Abraham. "Terwijl, als je kunt aantonen dat je een nieuwe technologie hebt en deze twee tot 30 jaar kan meegaan, dat commercieel onmiddellijk levensvatbaar wordt."
Hoewel het werk van Xin en zijn collega's onderzoekers kan helpen bij het maken van batterijen die niet zo snel verslechteren, is het duidelijk dat verdere doorbraken nodig zullen zijn voordat we oplaadbare batterijen van tien jaar of langer zonder ernstige slijtage zien.
