Doorbraak bij vaste-stof lithium-accu’s
Wetenschappers van de Tohoku University en de High Energy Accelerator Research Organization hebben een nieuwe, complexe superionische lithiumhydride-geleider ontwikkeld die kan leiden tot vaste-stof-accu’s met een tot op heden ongekende energiedichtheid.
Wetenschappers van de Tohoku University en de High Energy Accelerator Research Organization hebben een nieuwe, complexe superionische lithiumhydride-geleider ontwikkeld die kan leiden tot vaste-stof-accu’s met een tot op heden ongekende energiedichtheid.
Het nieuwe materiaal dat kon worden gesynthetiseerd op basis van waterstofclusters (complexe anionen), vertoont een uitgesproken hoge stabiliteit ten opzichte van metallisch lithium. Daardoor zou het het ideale anodemateriaal voor vaste-stof-accu’s zijn. Die accu’s met metalliche lithiumanoden zouden de energiedichtheid ten opzichte van gewone Li-Ion-accu’s drastisch kunnen vergroten. Tot op heden werd de praktische toepassing echter beperkt door de hoge lithiumionen-overgangsweerstand, die vooral werd bepaald door de instabiliteit van de vaste elektrolyt in aanwezigheid van metallisch lithium.
De nieuw ontwikkelde elektrolyt heeft daarentegen een goed geleidingsvermogen voor ionen, maar vertoont daarnaast ook eenhoge stabiliteit in aanwezigheid van metallisch lithium. Deze ontwikkeling zou daarom best wel eens een doorbraak kunnen betekeneen voor vaste-stof-accu’s die een metallische lithium-anode gebruiken.
Vaste elektrolyten die geleidend zijn voor lithium-ionen, spelen de hoofdrol bij vaste-stof-accu’s omdat het ionen-geleidingsvermogen en de stabiliteit van de vaste elektrolyt in belangrijke mate medebepalend zijn voor de prestaties van de accu. Tot nog toe was het grote probleem dat de meeste vaste elektrolyten een chemische/elektrochemische instabiliteit vertonen en/of een slecht fysiek contact met metallisch lithium maken, waardoor ongewenste nevenreacties aan het grensvlak worden veroorzaakt. Deze ‘bijwerkingen’ leiden tot een vermindering van het geleidingsvermogen van het grensvlak, waardoor de prestaties van de accu met toenemend aantal laad/ontlaadcycli sterk achteruitgaan.
Eerdere pogingen zoals een legering van het lithium-metaal en de modificatie van het grensvlak leverden een onbevredigend resultaat, omdat het probleem feitelijk wordt veroorzaakt door de hoge thermodynamische reactiviteit van de metallische lithium-anode met de elektrolyt. De grootste uitdagingen bij metallische lithium-anodes zijn een hoge stabiliteit en een hoog ionen-geleidingsvermogen van de vaste elektrolyt.
Vanwege het geringe ionen-geleidingsvermogen is de combinatie van complexe hydriden en metallische lithiumanoden nog niet eerder uitgeprobeerd. Met behulp van complexe hydriden bleek echter een hoog geleidingsvermogen bij kamertemperatuur haalbaar. De onderzoeksresultaten zijn onder de titel A complex hydride lithium superionic conductor for high-energy-density all-solid-state lithium metal batteries in het vaktijdschrift Nature Communications gepubliceerd.
Het nieuwe materiaal dat kon worden gesynthetiseerd op basis van waterstofclusters (complexe anionen), vertoont een uitgesproken hoge stabiliteit ten opzichte van metallisch lithium. Daardoor zou het het ideale anodemateriaal voor vaste-stof-accu’s zijn. Die accu’s met metalliche lithiumanoden zouden de energiedichtheid ten opzichte van gewone Li-Ion-accu’s drastisch kunnen vergroten. Tot op heden werd de praktische toepassing echter beperkt door de hoge lithiumionen-overgangsweerstand, die vooral werd bepaald door de instabiliteit van de vaste elektrolyt in aanwezigheid van metallisch lithium.
De nieuw ontwikkelde elektrolyt heeft daarentegen een goed geleidingsvermogen voor ionen, maar vertoont daarnaast ook eenhoge stabiliteit in aanwezigheid van metallisch lithium. Deze ontwikkeling zou daarom best wel eens een doorbraak kunnen betekeneen voor vaste-stof-accu’s die een metallische lithium-anode gebruiken.
Achtergrond
Vaste-stof-accu’s zijn veelbelovende kandidaten voor energie-opslag, omdat ze geen van de nadelen van huidige Li-Ion-accu’s hebben – zoals elektrolytverlies, brandbaarheid en beperkte energiedichtheid. Metallisch lithium wordt beschouwd als het ‘ultieme’ anodemateriaal voor vaste-stof-accu’s, omdat het metaal van alle bekende anodematerialen de hoogste theoretische capaciteit (3,86 Ah/g) en de laagste potentiaal (–3,04 V ten opzchte van de standaard-waterstofelektrode) heeft.Vaste elektrolyten die geleidend zijn voor lithium-ionen, spelen de hoofdrol bij vaste-stof-accu’s omdat het ionen-geleidingsvermogen en de stabiliteit van de vaste elektrolyt in belangrijke mate medebepalend zijn voor de prestaties van de accu. Tot nog toe was het grote probleem dat de meeste vaste elektrolyten een chemische/elektrochemische instabiliteit vertonen en/of een slecht fysiek contact met metallisch lithium maken, waardoor ongewenste nevenreacties aan het grensvlak worden veroorzaakt. Deze ‘bijwerkingen’ leiden tot een vermindering van het geleidingsvermogen van het grensvlak, waardoor de prestaties van de accu met toenemend aantal laad/ontlaadcycli sterk achteruitgaan.
Eerdere pogingen zoals een legering van het lithium-metaal en de modificatie van het grensvlak leverden een onbevredigend resultaat, omdat het probleem feitelijk wordt veroorzaakt door de hoge thermodynamische reactiviteit van de metallische lithium-anode met de elektrolyt. De grootste uitdagingen bij metallische lithium-anodes zijn een hoge stabiliteit en een hoog ionen-geleidingsvermogen van de vaste elektrolyt.
Vanwege het geringe ionen-geleidingsvermogen is de combinatie van complexe hydriden en metallische lithiumanoden nog niet eerder uitgeprobeerd. Met behulp van complexe hydriden bleek echter een hoog geleidingsvermogen bij kamertemperatuur haalbaar. De onderzoeksresultaten zijn onder de titel A complex hydride lithium superionic conductor for high-energy-density all-solid-state lithium metal batteries in het vaktijdschrift Nature Communications gepubliceerd.
