Aluminium-eierdooier zorgt voor krachtige batterij

Een groot probleem die we momenteel ondervinden met batterijen is dat ze na verloop van tijd minder goed opladen en sneller leeg geraken. Dit komt doordat de elektrodes van deze batterijen tijdens het op- en ontladen telkens groeien en krimpen. Hierdoor wordt de toplaag van het materiaal vervormd, waardoor de lithium verbruikt wordt en de werking van de batterij in verloop van tijd verslechtert.

Vervanger voor grafiet

Een team van onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de Tsinghua universiteit in China hebben de handen in elkaar geslagen om dit probleem op te lossen. Voor bestaande batterijen wordt meestal gebruik gemaakt van een grafieten elektrode, welke een capaciteit heeft van 0,35 ampère-uur per gram. Onderzoekers proberen al jaren dit materiaal te vervangen door materialen met een hogere capaciteit. De fysieke eigenschappen van deze materialen gooien echter roet in het eten.

Een dergelijk materiaal is aluminium. Aluminium is namelijk een goedkoop materiaal met een theoretische capaciteit van 2 ampère-uur per gram. Het grote nadeel van aluminium is echter dat het materiaal erg hard uitzet tijdens het opnemen van lithium en hierna terug erg hard krimpt. Tot nu toe slaagden onderzoekers er daarom niet in het materiaal succesvol toe te passen in batterijen.

Natuur als inspiratiebron

Het team van het MIT en de Tsinghua universiteit zijn er echter in geslaagd een batterij te maken met een elektrode bestaande uit aluminium door de elektrode te maken uit nanodeeltjes met een harde schil en een ‘eierdooier’ in het midden. Hierdoor kan de kern groeien en krimpen, zonder de schil te beschadigen.

“We hebben een schil bestaande uit titaniumoxide gemaakt,” legt Ju Li, één van de onderzoekers, uit. “Hierdoor wordt het aluminium gescheiden van het vloeibare elektrolyt dat zich tussen de twee elektrodes van de batterij bevindt. De schil zelf groeit of krimpt niet veel, waardoor de aluminium binnenin goed beschermd is.”

Uit testen blijkt dat de schil een beetje dikker wordt, maar binnenin de schil worden geen sporen van het elektrolyt gevonden. De schil houdt dus succesvol het elektrolyt tegen, terwijl de lithiumionen wel hun weg kunnen vinden door de schil naar de aluminium-eierdooier. Het resultaat is een elektrode met meer dan drie keer de capaciteit van een klassieke grafieten elektrode, welke op 6 minuten volledig is opgeladen en na 500 oplaadcycli nog steeds een capaciteit heeft van 0,66 ampère-uur per gram.