Dichtlopende barstjes.

Om de capaciteit van lithium-ionaccu’s op te voeren moet je de anodes zelfhelend maken in plaats van superstevig. Dan is het immers niet erg meer als ze barsten, stellen Amerikaanse onderzoekers in Nature Chemistry.

Tot nu toe is dat barsten hét grote probleem bij zulke accu’s. Bij het opladen nestelen zich lithiumionen in het anodemateriaal, dat daardoor opzwelt en vervormt. De laadcapaciteit wordt dan deels bepaald door de eis, dat de accu een minimaal aantal laad/ontlaadcycli moet overleven zonder dat de anode al te veel achteruit gaat.

Dat laatste is de reden dat siliciumanodes tot nu toe geen voet aan de grond hebben gekregen. In theorie kun je in een siliciumanode ongeveer tien keer zo veel lithiumionen kwijt als in de koolstofanodes die nu nog standaard zijn. Maar daarbij wordt het volume van dat silicium driemaal zo groot, en dat overleeft zo’n anode maar een paar keer voordat hij begint te barsten of te verpulveren.

In theorie kun je dit ondervangen door je silicium op te delen in nanodeeltjes, die letterlijk te klein zijn om te barsten. Maar zulke nanodeeltjes zijn duur, en lastig op grote schaal te produceren.

Zhenan Bao en collega’s stellen nu voor om microdeeltjes te gebruiken, een paar maten groter dus. Die giet je in in een ‘zelfhelend’ polymeer, waarvan de moleculen onderling verbonden zijn door waterstofbruggen. Als de microdeeltjes barsten, houdt dat polymeer de fragmenten bij elkaar. En ontstaat er een scheurtje in dat polymeer, dan loopt die vanzelf weer dicht waarbij zich nieuwe waterstofbruggen vormen.

Om het polymeer elektrisch geleidend te maken, verrijk je het met roetdeeltjes (‘carbon black’).

Bij de eerste experimenten bleek zo’n anode na 90 cycli nog 80 procent van zijn capaciteit over te hebben. Daarmee presteert hij vele malen beter dan anodes met klassieke binders als alginaat of PVDF, die na 20 cycli al zo’n beetje onbruikbaar zijn.

Onder de elektronenmicroscoop kun je daarbij inderdaad zien dat kleinere scheuren na een uur of vijf helemaal verdwenen zijn. Als de anode weer krimpt tijdens het ontladen, krijgen ook de grotere de kans om zich te herstellen.

De onderzoekers proberen nu hun anode zo ver te verbeteren dat hij ook duizendencycli goed blijft, wat bijvoorbeeld voor elektrische auto’s een absoluut vereiste is. Hoe ver ze nog van een commercieel product af zitten, wordt uit de publicatie helaas niet duidelijk.

bron: Nature Chemistry, Chemistry World

Onderwerpen