Sloop van een knoopcel.

Dat lithium-ionaccu’s slecht bestand zijn tegen snel op- en ontladen, ligt aan de manier waarop ze worden gemaakt. Besteed wat meer aandacht aan de afzonderlijke nanodeeltjes in de elektrode en hij moet toen jaar snelladen kunnen overleven, voorspellen onderzoekers van Stanford University.

In Nature Materials leggen ze uit hoe ze Li-ion knoopcellen in verschillende tempo’s hebben geladen en ontladen. Ergens halverwege stopten ze het proces, waarna ze binnen een paar minuten de knoopcel openmaakten en de ladingstoestand van de positieve elektrode als het ware bevroren door hem te spoelen met dimethylcarbonaat. Vervolgens sneden ze die elektrode in dunne plakjes en bekeken die met röntgenmicroscopie, gevoed door de SLAC-deeltjesversneller.

Zo’n kathode bestaat uit miljarden deeltjes, in dit geval van lithiumijzerfosfaat (LiFePO4, afgekort LFP). Bij het opladen worden de lithiumionen er uit gedrukt, waardoor het röntgenabsorptiespectrum verandert. Daaruit kun je dus afleiden in hoeverre die afzonderlijke deeltjes zijn opgeladen.

Bij dit onderzoek is de oplading van honderden afzonderlijke deeltjes per kathode vastgesteld. Daar kwam uit dat de snelheid, waarmee je de hele accu oplaadt, eigenlijk geen invloed heeft op de snelheid waarmee die losse deeltjes worden opgeladen. Dat laatste gaat namelijk extreem snel.

De clou is dat op elk moment maar een klein deel van de deeltjes bij het laadproces betrokken is. Dáár loopt de hele laadstroom doorheen, de rest doet niets. Is een deeltje ‘vol’ (of eigenlijk leeg want de Li+-ionen gaan er uit!) dan neemt zijn buurman de laadstroom over. Verhoog je die laadstroom, dan gaan er meer deeltjes tegelijk meedoen.

Dat snelladen de accu beschadigt, lijkt vooral te komen door slechte warmteoverdracht tussen die deeltjes. Nu en dan leidt dat tot lokale oververhitting die uiteindelijk de kathode uit elkaar wrikt. Maar dat moet je kunnen verhelpen door die laadstroom gelijkmatiger over de deeltjes te verdelen; hoe dat moet staat niet in de publicatie maar duidelijk is dat de oplossing in het elektrode-ontwerp moet worden gezocht.

Voor ontladen geldt min of meer hetzelfde verhaal maar daar lijkt de stroom vanzelf al gelijkmatiger over de deeltjes te worden verdeeld, wanneer je het tempo opvoert.

De onderzoekers vermoeden dat hetzelfde verhaal opgaat voor andere elektrodematerialen en dat je dus áltijd naar de afzonderlijke nanodeeltjes moet kijken, in plaats dat je aanneemt dat die elektrode één geheel is.

bron: Stanford SLAC