Wetenschappers van de Stanford-universiteit hebben naar eigen zeggen de 'heilige graal' voor accutechnologie ontwikkeld: ze claimen een stabiele anode van lithium in plaats van grafiet of silicium te hebben ontwikkeld, met behulp van een beschermende koolstof-nanolaag.
Het gros van de accu's en batterijen voor elektrische apparatuur bevat al lithium: de lithium-ion-accu's. Hierbij is echter alleen de elektrolyt gebaseerd op lithium; de kathode is opgetrokken rond metaaloxiden en de anode is van grafiet of silicium. Een anode van lithium zou grote voordelen op gebied van accucapaciteit hebben, maar tot nu toe liepen wetenschappers tegen zulke grote problemen aan bij het ontwikkelen van een lithium-anode dat dit buiten bereik leek.
Een van de problemen is dat lithium sterk uitzet tijdens het laden, waardoor scheuren en gaten in de omhulsels van de anode ontstaan. Daardoor kunnen lithium-ionen ontsnappen die daarop zogenoemde microscopische dendrieten of uitlopers van lithium vormen; die kunnen voor kortsluiting zorgen en de levensduur van accu's ernstig verkorten. Een tweede probleem is dat het lithium chemisch reageert met de elektrolyt en dit medium tussen de anode en kathode daarbij verbruikt. Ten slotte zijn er risico's op hittevorming, zoals nu ook al het geval is bij lithium-ion-accu's.
Wetenschappers van de Stanford University claimen nu deze problemen het hoofd te hebben geboden door de lithium-anode af te schermen met een beschermende laag die ze nanosphere hebben gedoopt. De laag bestaat uit met elkaar verbonden koepels van koolstof in een honingraatstructuur, met een dikte van 20 nanometer. De laag is sterk, flexibel en chemisch stabiel genoeg om het uitdijende lithium in bedwang te houden.
De nanospheres-laag zorgt voor een sterke verbetering van de ratio van de hoeveelheid lithium die aan de anode onttrokken kan worden bij gebruik van de accu en de hoeveelheid die toegevoegd wordt bij het laden. Die verhouding moet bij zoveel mogelijk cycli van laden/ontladen idealiter 99,9 procent bedragen voor commercieel gebruik, maar bij lithium-anodes was het tot nu toe slechts 96 procent. De accu van het wetenschapsteam bereikt momenteel een efficiëntie van 99 procent bij 150 cycli, maar dit kan volgens de wetenschappers verbeterd worden naar de gewenste 99,9 procent.
"Met wat aanpassingen en nieuwe elektrolytes geloven we een praktische en stabiele lithium-anode te kunnen maken die de volgende generatie van oplaadbare batterijen en accu's aandrijft", zegt Steven Chu van het onderzoeksteam. Hij hint erop dat de vinding voor een viervoudiging van accucapaciteit en een verdubbeling van de accuduur van smartphones en elektrische auto's kan zorgen. Het team publiceert zijn onderzoek in wetenschappelijk tijdschrift Nature Nanotechnology.
Wetenschappers werken flink aan de verbeteringen van accutechnologie, maar veel ideeën halen het niet tot praktische toepassingen of kunnen alleen op lange termijn verbeteringen brengen. De accutechnologie loopt tegen grenzen aan waardoor de verbeteringen van accuduur bijvoorbeeld achterlopen op verbeteringen van prestaties van bijvoorbeeld de rekenkracht.