Onderzoekers ontwikkelen accucellen met lithiummetaal die veel stabieler zijn

Wetenschappers van de Stanford-universiteit hebben een coating voor de anodes van lithiummetaalaccu's ontwikkeld waarmee deze accu's stabieler worden. Door de lichtheid van het metaal en de capaciteit kunnen deze accu's in theorie heel gunstig zijn voor elektrische auto's.

Een gezamenlijk onderzoeksteam van Stanford en het Amerikaanse overheidsorgaan SLAC National Accelerator Laboratory hebben hun coating in het laboratorium geprobeerd bij de anode van de accucellen. Die werd gecombineerd met commercieel beschikbare componenten om te komen tot een volledig operationele accu. Na 160 laadcycli hebben de lithiummetaalcellen nog steeds 85 procent van hun capaciteit ten opzichte van de eerste laadcyclus. Reguliere lithiummetaalcellen hebben ongeveer 30 procent na 160 cycli, waardoor ze bijna nutteloos zijn.

De vinding van de wetenschappers is een speciale coating die de vorming van dendrieten tegengaat. Dit zijn vinger- of boomachtige structuren die worden gevormd door zich ophopende lithiumatomen. Zodra deze structuren de scheidingswand in een cel doorboren en als het ware een brug vormen tussen de anode en de kathode, kan kortsluiting ontstaan. Bij lithium-ionaccu's wordt dat voorkomen door een beschermend laagje grafiet bij de anode. Dat heeft het nadeel dat de capaciteit ook wat minder hoog is.

Bij lithiummetaalaccu's wordt geen grafiet gebruikt en is de energiecapaciteit hoger, maar dan moet het probleem van de dendrieten op een andere manier worden opgelost. Bovendien heeft lithium de neiging om snel met van alles te reageren, zoals het deels uit lithium bestaande elektrolyt. De anode kan zodoende gemakkelijk oververhit raken, met brand of ontploffingen tot gevolg. Dat is de reden dat lithiummetaalaccu's zijn overvleugeld door lithium-ionaccu's.

Om gebruik te kunnen maken van de hogere energiecapaciteit van lithiummetaalaccu's, moet het lithium dus nog wel in toom worden gehouden. Omdat geen grafiet wordt gebruikt, moest er iets anders worden verzonnen. De wetenschappers zijn gekomen tot een coating waarmee een netwerk van moleculen wordt gevormd dat de geladen lithiumionen op uniforme wijze overbrengt. Volgens de onderzoekers worden hiermee ongewenste chemische reacties voorkomen en wordt chemische afzetting op de anode beperkt.

Lithiummetaalaccu's kunnen volgens de onderzoekers minstens een derde meer energie per gewichtseenheid leveren dan lithium-ionaccu's. Dat hangt samen met het feit dat de anodes van lithiummetaalaccu's een hogere dichtheid van lithium hebben en dus meer energiedragers. Bovendien is lithium een licht element. Een anode die vrijwel geheel uit lithium bestaat, maakt de cel lichter; dat kan zich vertalen in lichtere accu's en dus bij elektrische auto's een groter bereik. Dat komt boven op de toch al hogere energiecapaciteit.

De onderzoekers zien het gebruik van stabiele lithiummetaalaccu's in elektrische auto's als het ultieme doel, maar denken dat de commercialisatie waarschijnlijk begint bij consumentenelektronica. Zodoende kan de veiligheid van de accu worden aangetoond. De wetenschappers werken nu aan verfijning van hun coatingontwerp en zijn bezig om hun cellen bij nog meer laadcycli te testen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Joule, onder de titel A Dynamic, Electrolyte-Blocking, and Single-Ion-Conductive Network for Stable Lithium-Metal Anodes.

Reacties (49)

[Freeaqingme]

Na 160 laadcycli hebben de lithiummetaalcellen nog steeds 85 procent van hun capaciteit ten opzichte van de eerste laadcyclus. Reguliere lithiummetaalcellen hebben ongeveer 30 procent na 160 cycli, waardoor ze bijna nutteloos zijn.

Maar waarom exact 160 laadcycli? Het onderzoek zelf zit achter een paywall, dus het is speculeren. Als ik moet gokken is het omdat lithiummetaal het anders tot 100-150 cycli ook best goed doet, en het materiaal wat deze onderzoekers hebben ontwikkeld na ~170 cycli ook instort.

Dergelijke losse getallen zeggen heel weinig. De enige uitzondering die ik kan bedenken zou zijn als 160 het magische getal is waarlangs iedereen zijn/haar batterijen benchmarkt. Anders gewoon een grafiek tonen met beide lijnen zodat de lezer zelf een eventuele curve kan interpreteren.

[gekkeh3nk]

Ik heb het artikel geopend via mijn universiteit en het is inderdaad zoals jij suggereert; de Coulombic Efficiency (aantal elektronen benondigd voor opladen vs ontladen?) stort in na 160 cycli. Waar het voor de andere lithiummetaaltechnologiën blijft steken op 80-120. Er is ook een andere techniek die constant blijft, Li || DSN Al-FTEG Cu, maar geen idee wat dat is.

[DeArmeStudent]

Ook snap ik niet wat er met deze laadcycli bedoeld wordt. Een lithium ion accu van een GSM houdt het veel langer vol dan 160x opladen.

[N8w8]

Dit gaat over n verbetering van oplaadbare Li metaal accus, niet van (oa GSM) Li ion accus.
(mss ook @multikoe @OxWax)

[OxWax]

Recent EVs are utilizing new variations on lithium-ion chemistry that sacrifice specific energy and specific power to provide fire resistance, environmental friendliness, rapid charging (as quickly as a few minutes), and longer lifespans. These variants (phosphates, titanates, spinels, etc.) have been shown to have a much longer lifetime, with A123 types using lithium iron phosphate lasting at least 10+ years and 7000+ charge/discharge cycles,[7] and LG Chem expecting their lithium-manganese spinel batteries to last up to 40 years.

Dit gaat over n verbetering van oplaadbare Li metaal accus, niet van (oa GSM) Li ion accus.

Dan blijft de vraag , vanwaar de referentie naar EV's? Die gebruiken dat helemaal niet en gaan véééél langer mee

[N8w8]

Nou als ik het artikel mag geloven:

Door de lichtheid van het metaal en de capaciteit kunnen deze accu's in theorie heel gunstig zijn voor elektrische auto's.

Nu is de levensduur verbeterd, wellicht dat het met nog meer verbeteringen een goeie vervanger is van de huidige EV accus.

[OxWax]

Nu is de levensduur verbeterd, wellicht dat het met nog meer verbeteringen een goeie vervanger is van de huidige EV accus.

Hebt u mijn tekst wel gelezen?
"lasting at least 10+ years and 7000+ charge/discharge cycles"
Nog een lange weg te gaan, gezien hun 160 cycles, me dunkt.

[N8w8]

Ja, ik heb het gelezen, maar je spreekt wat ik zeg/het artikel zegt ook niet tegen.
Inderdaad nog een lange weg te gaan, waarop dit dus weer een stapje vooruit is.
Of/wanneer dat doel ook bereikt zal worden heb ik niets over gezegd.
Maar goed daar komen ze alleen achter door research te doen, zoals dit.

[Reactie gewijzigd door N8w8 op 23 juli 2024 12:03]

[multikoe]

Ik vind 30% afname na 160 cycli ook nogal veel. Dat zou betekenen dat bij redelijk zwaar gebruik van je telefoon, waarbij je hem elke nacht toch van bijna leeg naar vol moet opladen, na een half jaar 30% capaciteit is weggevallen. Dat is niet helemaal wat ik ervaar.

[CivLord]

Daarom heb jij ook een lithium ion accu in je telefoon zitten en niet een lithium metaal accu, waar dit artikel over gaat.

[multikoe]

Ik zie het nu ook. Thanks.

[japie06]

Je leest het verkeerd. Die 30% slaat op lithiummetaalaccu's. Niet op de lithium-ion die in je telefoon zit.

[Wivern]

30% schiet nog over... een drop van 70%

[OxWax]

[...]
Maar waarom exact 160 laadcycli? Het onderzoek zelf zit achter een paywall, dus het is speculeren. Als ik moet gokken is het omdat lithiummetaal het anders tot 100-150 cycli ook best goed doet, en het materiaal wat deze onderzoekers hebben ontwikkeld na ~170 cycli ook instort.

Sci hub?

Dergelijke losse getallen zeggen heel weinig. De enige uitzondering die ik kan bedenken zou zijn als 160 het magische getal is waarlangs iedereen zijn/haar batterijen benchmarkt. Anders gewoon een grafiek tonen met beide lijnen zodat de lezer zelf een eventuele curve kan interpreteren.

Snap het ook niet echt. dat klopt toch niet dat reguliere lithiummetaalcellen al zo snel op 30% zitten?

[Tranquility]

Il snap het ook niet echt. De huidige Li-Ion heeft echt geen 15% capaciteitsverlies na 160x laden...
Trouwens, dit al het zoveelste halelujaverhaal omtrent accu's maar nog steeds komen er niet echt betere en al helemaal geen revolutionaire accu's op de markt.

[edit] Had ff niet goed gelezen at het over Lithium metaal ging i.p.v. Li-Ion. Maar dan nog, als het minder presteert dan Ion, wat hebben we er dan aan? Een aantal jaren geleden was LiFePo4 sterk in opkomst en zou veel langer meegaan (heb zelf een fiets gehad met zo'n accu en die was na vijf jaar nog prima) maar ondertussen is dat ook niet meer verkrijgbaar in fietsen e.d. Te goed deze accusoort?

[Reactie gewijzigd door Tranquility op 23 juli 2024 12:03]

[Flagg]

Het gaat dan ook over lithiumetaal en niet over lithiumion.

Dus dit is niet het zoveelste halleluja verhaal over lion...

[OxWax]

Het gaat dan ook over lithiumetaal en niet over lithiumion.
Dus dit is niet het zoveelste halleluja verhaal over lion...

Die oneindig veel efficienter is
with A123 types using lithium iron phosphate lasting at least 10+ years and 7000+ charge/discharge cycles,[7] and LG Chem expecting their lithium-manganese spinel batteries to last up to 40 years.

[Iblies]

Normale lion kun je ook heel lang gebruiken, mits je niet ver oplaad, te ver ontlaad, te snel laad.
Maar welke smartphone-fabrikant (of autofabrikant etc) gaat je meer batterij geven met als doel een langere levensduur. Je toestel wordt groter en zwaarder.


Helaas neemt bij dit soort onderzoeken te snel de marketing-afdeling het over waarna het nog sneller de dood vind. De verwachtingen zijn te hoog daardoor.

[Tranquility]

Spotlight. Volgens mij raak je hier de (pijnlijke) kern van het verhaal. Een duurzame batterij heeft geen goed verdienmodel. Ja éénmalig. Geen enkele fabrikant is er bij gebaat een duurzame batterij op de markt te brengen die zeg eens een 30 jaar meegaat zonder noemenswaardige capaciteitsverlies. LiFePo4 was veelbelovend, maar ondertussen van de markt geweerd want te duurzaam. Op Li-Ion is veel meer te verdienen en heeft voor de industrie een perfecte levensduur: niet te kort, niet te lang.

[Tranquility]

I stand corrected

[Flagg]

Wil ik er nog wel aan toevoegen dat mijn eerste reactie was toen ik de kop zag:

"Jeuh weer een fantastische accu breakthrough waar de wereld door gaat veranderen".

Ik stond alleen iets eerder corrected.

[Verwijderd]

maar nog steeds komen er niet echt betere en al helemaal geen revolutionaire accu's op de markt.

Moet je eens kijken hoeveel stroom er in de eerste iPhone zat. Accu's zijn spectaculair verbeterd, alleen gebruiken we gewoon steeds meer stroom. Dacht jij echt dat ik 500 Km in mijn Tesla kan rijden met cellen uit 2005?

[Tranquility]

De vooruitgang is gradueel, niet spectaculair, vooral als het om degeneratie gaat. Natuurlijk kan er meer in een huidige 18650 cel dan eentje uit 2005, maar spectaculair kan ik het echt niet noemen.

[MeMoRy]

Dat is het vervelende van benchmarks. Tenzij ze goed onafhankelijk gestandaardiseerd zijn, kunnen fabrikanten benchmarks zo kiezen dat hun product er het beste uit komt.

En als dat in de onderzoekswereld gebeurd, noemen we het "cherry picking". Omdat het allemaal draait om publicaties, zijn onderzoekers vaak bezig om hun resultaten zo mooi mogelijk weer te geven...
moet altijd denken aan deze: https://xkcd.com/2023/

[Reactie gewijzigd door MeMoRy op 23 juli 2024 12:03]

[jhorden]

De wetenschappers werken nu aan verfijning van hun coatingontwerp en zijn bezig om hun cellen bij nog meer laadcycli te testen.

Ze moeten ergens beginnen met testen... De volgende stap is dus i.i.g. meer laadcycli testen.

[mongkut]

Zullen we hier nog veel over horen in de toekomst
heb hier al zoveel 'spectaculaire' nieuws gezien waar je een hele frontpage mee kan vullen.
Weet iemand een betrouwbare grafiek te vinden hoe de capaciteit (naar verhouding) spectaculair is toegenomen over de laatste 10 jaar?

[mkools24]

Alsjeblieft

https://www.economist.com...lithium-ion-battery-power

[Xorgye]

Ja, ik had ook al zo'n gevoel toen ik dit artikel las. T idee is leuk, maar de praktijk heeft toch altijd veel nuances waardoor t success toch wat tegen valt.

Een achtergrondartikel over accutechnieken, hoe t geïntroduceerd werd, en wat echt effectief blijkt te zijn zou wel leuk zijn. Vooral in deze tijd met zo veel nadruk op accu's.

[Fairy]

Dat houd je altijd. Verschillende technieken met verschillende toepassingen. Als je er aan gaat staan dat het nooit opschiet dan zal niemand meer iets nieuws proberen. Men blijft technieken ontwikkelen en er zal een moment komen dat iemand iets uitvind dat superveilig is en veel meer capaciteit heeft en misschien is het wel een hele simpele grondstof die overal te vinden is. Niemand die het nu nog weet.

Ik juich het in ieder geval toe, want op termijn zullen we er toch naartoe moeten dat we in de winter energie van de zon gaan opslaan om de winter mee door te komen.

[Reactie gewijzigd door Fairy op 23 juli 2024 12:03]

[TWyk]

in de echte wereldk:

https://cleantechnica.com...-LEAF-Evolution-Range.png

[styno]

Asjeblieft, ik heb even voor je gegoogled op "battery kwh/kg graph".

Veel van de 'doorbraken' redden het niet door te hoge kosten, levensduur of fabricage moeilijkheden maar er druppelen ook genoeg door tot in commercieel verkrijgbare producten.

[lighting_]

De zoveelste doorbraak.
Heb er diverse gelezen afgelopen weken en jaren. Laten ze maar eens een commerciële product op de markt brengen. Want daarna hoor en lees je niks meer over

[Reactie gewijzigd door lighting_ op 23 juli 2024 12:03]

[Cergorach]

De zoveelste doorbraak.
...
Want daarna hoor en lees je niks meer over

Een succesvol experiment is dan wel een doorbraak die lekker sensationeel overkomt, maar tussen dat moment een een succesvol productieproces kan vele jaren zitten, if ever. Vergeet ook niet dat veel van die doorbraken aan de kant worden gezet voor andere doorbraken of zelfs in de koelkast worden gezet omdat men nu bezig is met andere doorbraken.

Wie herinnert zich holografische opslag ontwikkelingen van bijna 20 jaar geleden?

2002:
nieuws: Optware: Een terabyte dataopslag dankzij holografie
Een optische disk van 1TB... Wow... We hebben nu microSDXC van 1TB, welke significant kleiner zijn dan een optische schijf, ook de lezer is significant kleiner. Wil je directe opslag kan je kiezen voor SSD die een veelvoud hebben qua snelheid van zo een holografische disk en beschikbaar zijn in groottes van 50TB+

2005:
nieuws: Stand van zaken op het gebied van holografische opslag

De HVD-producten zullen een opslagcapaciteit hebben van tussen de 100GB en 1TB en een maximale transferrate van 1GB per seconde.

InPhase Technologies die dit produceerde is ondertussen failliet (in 2011), assets, devices en know-how zijn in 2012 overgenomen door Akonia Holographics, LLC, welke weer in 2018 is overgenomen door Apple. Apple heeft het bedrijf overgenomen om de patenten te gebruiken in AR producten, de kans dat Apple ooit nog wat gaat doen met holografische storage is nihil. En dat de rest van de wereld er eigenlijk niets mee ging doen was ook wel al duidelijk in 2011. Het traject Flash storage was veel interessanter/praktischer...

[OxWax]

Lijk mij toch weinig relevant gezien
Recent EVs are utilizing new variations on lithium-ion chemistry that sacrifice specific energy and specific power to provide fire resistance, environmental friendliness, rapid charging (as quickly as a few minutes), and longer lifespans. These variants (phosphates, titanates, spinels, etc.) have been shown to have a much longer lifetime, with A123 types using lithium iron phosphate lasting at least 10+ years and 7000+ charge/discharge cycles,[7] and LG Chem expecting their lithium-manganese spinel batteries to last up to 40 years.

[japie06]

Als u een nieuwe laptop of telefoon koopt, vraagt u dan aan de verkoper wat voor materiaal de anode of cathode heeft? Of dat er mangaan en nikkel wordt gebruikt ipv kobalt?

Dit soort doorbraken zijn zo technisch van aard dat zich dat niet makkelijk laat vertalen naar marketing voor consumentenproducten. We zien nu al een tijdje dat de accu's per jaar ongeveer 5% beter worden (combi van goedkoper, minder slijtage en meer energiedichtheid). Dit soort doorbraken dragen daar stilletjes aan bij.

Verwacht dus niet dat de vooruitgang met grote schokken gaat, maar juist met in een soort gestage lijn.

[lighting_]

Jawel hoor. Er wordt al jaren doorbraken op batterij technologie gemeld. Een reden waarom ze tot nu toe niet doorbreken in consumenten elektronica is omdat deze uitkomsten alleen doel hebben om investeringen te krijgen. Tuurlijk kost onderzoek tijd en geld. Maar de doorbraken lees ik echt al 15 jaar.

[japie06]

Dus al die investeerders zijn zo dom dat ze al 15 jaar voor de gek worden gehouden met dit soort berichten? De prijsdaling evenals de groei in energiedichtheid van Lithium accu's de afgelopen 10 jaar is stom toeval?

[lighting_]

We hebben het niet over procenten.
Maar over 2x huidig dichtheid en met oplaadsnelheden in enkele minuten. Iets waar de wereld wel naar zoekt. Genoeg onderzoekers die beweren het heilige graal hebben ontdekt.

https://www.bright.nl/nie...uto-binnen-zes-minuten-op

Of Samsung met grafiet.
Of tesla die maxwell gekocht heeft en 2021 in productie moet gaan. Zo kan ik nog wel doorgaan.

[Reactie gewijzigd door lighting_ op 23 juli 2024 12:03]

[N8w8]

Alsof alleen universiteiten research doen, en alleen om papers te kunnen schrijven.
Verder is er niemand geinteresseerd in consumentenaccus verbeteren om andere redenen zeker.
Ook niet al die auto- en consumentenelektronica fabrikanten die biljoenen dollars op het spel hebben staan, met miljarden klanten die allemaal betere accus willen.

Ze zijn daar heus wel mee bezig lijkt mij.
Maar dat is een kwestie van (andere) ontdekkingen doen, dat gaat niet van "Hee ja weet je wat, laten we anders ns een betere accu op de markt brengen, denk je dat dat nog lukt voor t weekend?".
Misschien gaat wetenschappelijke/lab research op dit vlak gewoon sneller dan massaproductie research.
Zie je een artikel met "wetenschappers" of "onderzoekers" in de titel, dan weet je al genoeg, niemand is verplicht daar aandacht aan te besteden, maar daarvoor is dit tweakers.net.

En volgens mij hadden telefoons 10 jaar geleden ofzo geen LiPo accus of wel?
Ik ben zelf ook blij met LSD NiMH accus, die bestaan ook nog niet zo lang.
Oja, en LiFePO4 is ook nog niet zo lang op de markt.
Nouja, wat is lang, volgens mij zijn veel mensen gewoon verwend door de enorm snelle ontwikkelingen op gebied van CMOS/ICs enzo, maar dat is echt niet de norm voor de tech sector als geheel lijkt mij.

[Reactie gewijzigd door N8w8 op 23 juli 2024 12:03]

[multikoe]

Het woord doorbraak wordt in het artikel niet genoemd. Er wordt uitgelegd dat dit een nieuwe ontwikkeling is die uiteindelijk voordelen gaat bieden in de toepassing in elektrische apparaten en auto's.

Dit is een heel gewoon, bijna saai artikel over een ontwikkeling in batterijtechnologie.
Jij lijkt te impliceren dat er op Tweakers alleen artikelen zouden mogen verschijnen die gaan over producten die door consumenten gekocht kunnen worden. Betekent dat dan ook dat ontwikkelingen op het gebied van video-kaarten, of CPU's of monitoren niet gepubliceerd mogen worden als er nog geen tastbare producten in de winkel liggen?

[lighting_]

Er zijn zat artikelen die batterij verbetering of doorbraken impliceren.
Vaak ook met uitspraken we gaan volgend jaar commercieel. Ik lees dat al 15 jaar. Gister ook op bright website. Zoek maar eens op.

[multikoe]

In dit geval dus niet. Het artikel is uiterst voorzichtig opgesteld. Er wordt gerept over een toepassing in elektrische auto's maar alleen om aan te geven dat dat het doel is van het onderzoek en dat is gewoon heel logisch.

[lighting_]

dan zijn we het niet over eens. De discussie ging niet om de beschrijving van het artikel zelf
Maar over de vele doorbraken die tot nu toe nergens naar geleid hebben.
Jij als wetenschapper kan dat makkelijk onderzoeken

[Verwijderd]

ik denk dat batterijen pas echt veilig zullen worden als we ze maken met koolstof nanotechnologie ?

https://phys.org/news/2018-10-nanotubes-world-batteries.html

[DrPoncho]

Waar baseer je dat op? Ik lees in het artikel niet terug dat het ook veiliger wordt.

[Verwijderd]

staat in bovenvernoemd artikel hoor :

https://phys.org/news/2018-10-nanotubes-world-batteries.html

"he Rice lab of chemist James Tour showed thin nanotube films effectively stop dendrites that grow naturally from unprotected lithium metal anodes in batteries. Over time, these tentacle-like dendrites can pierce the battery's electrolyte core and reach the cathode, causing the battery to fail."
"

De koolstof nanotube structuren rond de anode verminderen de vorming van dendrieten welke in contact kunnen komen na verloop van tijd met de kathode met een kortsluiting tot gevolg.

Het staat er dus niet letterlijk in dat dit explosies voorkomt, enkel dat het de oorzaak gaat indijken.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 12:03]

[Noitisnt]

Gaat lekker met de ontwikkelingen, gisteren was India ook al in het nieuws: India Develops the World's First Iron-ion Battery

[Rhaegar1]

Ik vind het toch altijd wat lastig wat precies de afweging van tweakers is om op bepaalde onderwerpen random halleluja verhalen van onderzoekers te delen. Superleuk van deze jongens hoor maar dit zit echt nog 10 of 20 jaar verwijderd bij toepasbaarheid in consumentenproducten. Hartstikke belangrijk maar wat is de meerwaarde voor Tweakers? Iedere week weer een dergelijke verhaal over zonnecellen of accu's schept het beeld dat er fundamentele doorbraken om de hoek te verwachten zijn. De realiteit is dat zowel accu's als zonnepanelen niet van de ene op de andere dat echt een stap zullen zetten binnen afzienbare tijd. Voorlopig is het procentjes per jaar vooruit gaan in efficiëntie en prijs met name door opschaling van bestaande productieprocessen, niet doordat er een universiteit ergen in een vroeg stadium van onderzoek een ronkend persbericht de wereld in heeft geslingerd.