Onlangs kwamen wetenschappers min of meer bij toeval achter een methode die de levensduur van lithiumionaccu’s flink verbetert. Dit is vooral groot nieuws omdat de methode te gebruiken is voor alle typen accu’s en ook nauwelijks extra geld en grondstoffen vereist. Bovendien hoeft de productie zeer beperkt te worden aangepast, zodat de tijd van labvinding naar eindproduct relatief snel gerealiseerd kan worden, terwijl dat normaal gesproken vele jaren duurt en grote investeringen vergt. Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Delft, stond mede aan de wieg van deze vinding.

:fill(white):strip_exif()/i/2005645874.jpeg?f=imagemedium)
Kun je schetsen welk probleem deze vinding oplost?
“Een klassiek probleem in acculand is dat het elektrolyt bij het laden en ontladen van lithiumionbatterijen langzaam maar zeker kapot gaat aan het oppervlak van de batterij, dus in contact met de positieve en negatieve elektrodes - de kathode en anode. Dit leidt tot degradatie en dat bepaalt in grote mate de levensduur. Onderzoek naar metaallegeringen gaf ons het idee om een nieuwe cocktail voor de elektrolyt te maken door vijf zouten te mixen in plaats van één of twee. Dit zorgt voor een stabieler oppervlak tussen de elektrolyt en de elektrodes, met een aanzienlijk langere levensduur tot gevolg.”
Waarom is dit een doorbraak?
‘Ik zeg het niet snel, maar dit is best een doorbraak.’
"Ik ben normaal gesproken terughoudend met het woord ‘doorbraak’ omdat er wekelijks nieuwsberichten zijn over een doorbraak in het lab, wat de indruk wekt dat er al een productierijp eindproduct is dat op korte termijn in gebruik kan worden genomen. Dat is zelden het geval: meestal zijn er nog tal van problemen die opgelost moeten worden en zoeken bedrijven de publiciteit om investeerders aan te trekken. Ook bij deze vinding ben ik voorzichtig, want het moet zich bewijzen in een commerciële batterij. Toch durf ik van een doorbraak te spreken; het is namelijk een relevante vinding die snel toepasbaar is. Tijdens het batterijproductieproces hoeft er eigenlijk niets te veranderen, behalve het toevoegen van meer zouten in de elektrolyt. En al die zouten zijn al bekend en op zichzelf niets bijzonders.”
De levensduur van accu’s wordt voornamelijk bepaald door het aantal cycli of door warmte: door het laden en ontladen neemt de capaciteit langzaam af. Maar deze vinding zorgt voor minder slijtage. Hoe zit dat?
“De elektrolyt speelt een belangrijke rol in de degradatie van batterijen, zoals een telefoon die na enkele jaren minder goed presteert. Het elektrolyt gaat een beetje kapot aan het oppervlak van de anode en kathode. Het grafiet van de anode, wat ruim twintig jaar geleden de doorbraak van lithiumion mogelijk maakte, krijgt een soort passiveringslaagje. Dat beschermlaagje moet elektronen tegenhouden, maar lithiumionen doorlaten. Via die lithiumionen wordt de elektrische energie in de batterij gegenereerd. Tijdens het laden en ontladen raakt het laagje een beetje beschadigd, waardoor meer elektrolyt kapot gaat en meer lithiumionen consumeert. Daardoor zijn deze ionen niet meer beschikbaar en neemt de capaciteit dus langzaam af. Dat geldt bij de huidige accu’s vooral voor de anode van grafiet, waar het lithium zich aan hecht. In een nieuwe cocktail van zouten is het passiveringslaagje veel stabieler, gaat de slijtage gecontroleerder en gaan er minder lithiumionen verloren. Daardoor gaat de accu dus langer mee.”
In veel media wordt gesproken over een mogelijke verdubbeling van de levensduur. Klopt dat?
“Ik vind het lastig om er concreet een aantal cycli aan te koppelen of te spreken over een verdubbeling. Een commercieel bedrijf is veel beter in staat om batterijen te maken dan wij in ons lab. In het lab werkt het, maar nu moeten we het bewijzen in commerciële batterijen. Maar het staat buiten kijf dat dit conceptueel een grote stap voorwaarts is die de levensduur significant gaat verlengen: dat hebben we bewezen in ons lab. Zelfs als de levensduur twintig procent langer zou zijn, is het al zeer rendabel voor accufabrikanten.”
Hoe test je de levensduur?
“De simpelste manier om de levensduur te testen, is door een batterij achter elkaar te laden en te ontladen, en dan kijken hoe de capaciteit achteruitgaat. Je kunt dit kunstmatig versnellen door bijvoorbeeld sneller te laden en te ontladen, of door de temperatuur te verhogen, wat beide het kapot gaan van de elektrolyt verergert.”
Hoe kwam deze ontdekking tot stand?
“Eigenlijk bij toeval, wij onderzoeken normaal geen vloeibare elektrolyten, maar kijken juist naar vaste elektrolyten voor toekomstige vastestofbatterijen. Voor vloeibare elektrolyten zijn accubedrijven zeer bedreven in het optimaliseren van cocktails en proberen zij continu verschillende nieuwe samenstellingen uit, vaak geautomatiseerd met behulp van robots. Wij wilden kijken wat de invloed was van vijf zouten, een zogenoemd high entropy elektrolyt, in plaats van één of twee, en dachten dat dit wel eerder gedaan was, maar dat bleek niet het geval te zijn; we konden er namelijk niets over vinden. Een vloeibaar elektrolyt is een organische vloeistof met daarin een lithiumzout opgelost en diverse additieven om de eigenschappen te verbeteren. Dat zout zorgt voor de geleiding van lithiumionen, wat er voor zorgt dat een batterij extern een elektrische stroom genereert. Welk zout je gebruikt en de concentratie daarvan, maakt uit. Door een samenstelling van vijf zouten te gebruiken, hebben wij de entropie verhoogd, wat bij wijze van spreken tot meer chaos leidt. Chaos is goed in dit geval, want het leidt ertoe dat de lithiumionen makkelijker kunnen bewegen dankzij naburige moleculen, waardoor een accu ook sneller kan worden opgeladen. Het passiveringslaagje wordt bovendien veel stabieler, waardoor het elektrolyt daar minder snel kapot gaat.”
Is dit bruikbaar voor een specifiek type accu of juist voor alle soorten?
'Dit gaat de levensduur van accu's verlengen.'
“Dat is het mooie: het is voor vrijwel alle samenstellingen te gebruiken. Het verschilt per samenstelling of vooral de anode of de kathode slijt. Bij de huidige accucellen is het vooral de grafietanode die het meest achteruitgaat, maar we zien bij NMC-accu’s met een hoog nikkelgehalte, zoals NMC811, dat ook de kathode sterk slijt. Voor accu’s met een siliciumanode is onze vinding wellicht een uitkomst om de levensduur te verlengen. Silicium verhoogt de energiedichtheid van accucellen, maar zwelt tijdens het laden en kan scheuren; dit beperkt het aantal cycli en dus de levensduur. LeydenJar werkt aan siliciumanodes voor lithiumionbatterijen, en is momenteel aan het testen of onze zoutsamenstelling bijdraagt aan het voorkomen van slijtage. Ze gebruiken een anode van puur silicium op basis van een poreuze siliciumstructuur waardoor het materiaal als het ware kan ademen. Maar ook voor accu’s met een anode van lithiummetaal kan onze vinding een positief effect hebben.”
Om wat voor nieuwe zouten gaat het eigenlijk?
“Het gaat om zouten zoals LiPF6, LiFSI, LiTFSI, LiDFOB en LiNO3 opgelost in carbonaatoplosmiddelen zoals EC, DEC en DMC.”
Kan die nieuwe samenstelling geen negatieve impact hebben op bestaande accu’s? Zo zou LiTFSI-zout ervoor kunnen zorgen dat de thermische stabiliteit omlaaggaat in een LiFePO4-cel, wat vervolgens een thermal runaway, oftewel brand, kan veroorzaken. Of wordt dat voldoende gecompenseerd door zouten als LiDFOB en LiNO3, die er juist voor zorgen dat dit risico verkleind wordt?
“Dat is een belangrijke vraag en precies de volgende stap: welke zouten zijn compatibel met welke anodes en kathodes? Wat we weten, is dat de hoge entropie van deze elektrolyten de stabiliteit van het elektrolyt vergroot, maar of dat afdoende een specifiek risico van een van de zouten compenseert, is nog de vraag en moet worden uitgezocht.”
Is de huidige samenstelling het optimale resultaat of zit er wellicht nog meer in het vat?
“Met meer zouten zijn er dus ook meerdere samenstellingen mogelijk, en er zijn dus nog veel nieuwe mogelijkheden te onderzoeken. De positieve impact op de levensduur door de samenstelling van de vijf zouten zijn dus min of meer toevallig ontdekt. Je kunt de concentratie van die zouten nog finetunen of nog meer zouten toevoegen. Dit is een eerste stap. Maar het komt nauw, want als je bijvoorbeeld de zoutconcentratie verhoogt, wordt het viskeuzer, oftewel dikker. Dat remt de geleiding en dat wil je niet, bovendien wordt de elektrolyt, en dus de batterij, dan duurder.”
Hoe zit het met de kosten voor dit type accu? Voor welk type producten zou een accu met een langere levensduur vooral van belang zijn?
“Het zout is een van de duurdere onderdelen van een batterij. Normaal is de verhouding ongeveer 1,2 mol per liter, maar met een hoge concentratie van enkele zouten, 5 tot 25 molair, zijn vergelijkbare verbeteringen in de levensduur gevonden. Maar dit maakt de elektrolyt viskeuzer, waardoor het lastiger is goed contact te maken met de elektrodes en de geleiding verslechterd. De elektrolyten met een hoge entropie bereiken hetzelfde, maar dan bij een ‘normale’ lage concentratie van 1,2 of 1,4 molair, waardoor je min of meer op dezelfde kosten uitkomt. De winst zit hem dus in een betere levensduur, doordat het passiveringslaagje langer meegaat. De winst in levensduur is welkom in elk type accu. De accu van een telefoon kan langer meegaan, zodat deze minder vaak vervangen hoeft te worden. Het gevolg is dat de batterij effectief goedkoper wordt, en dat de milieu-impact lager is, omdat er minder vaak gerecycled hoeft te worden.”
Wat zijn de reacties uit de markt?
“We hebben veel contact met batterij(component)ontwikkelaars in Nederland, dus die wisten dat we hiermee bezig waren. Die bedrijven zijn geïnteresseerd, maar ook terecht kritisch. Ze willen het eerst zelf testen, wat begrijpelijk is. Toch ben ik ervan overtuigd dat deze methode ontzettend makkelijk te implementeren is en we het dus relatief snel in producten kunnen terugzien. Zoals gezegd test LeydenJar dit al. Bij de accu’s met een siliciumanode is het aantal cycli, dus de levensduur, nog een pijnpunt, dus juist daar zou deze methode een positief effect op kunnen hebben.”
Hoe kunnen bedrijven deze nieuwe methode gebruiken? Is er sprake van een licentiemodel?
Meer lezen
Wie meer wil lezen kan de resultaten van het onderzoek downloaden en lezen via Nature Communications en Advanced Materials.
“Ja, we hebben ons concept gepatenteerd. Ieder bedrijf kan onze methode gebruiken door een licentie te kopen. De verkoop van het patent is ook een theoretische optie, maar dat heeft niet de voorkeur, want dan zou deze methode dus niet breed ingezet kunnen worden, terwijl daar juist de meerwaarde ligt. Een langere levensduur voor accu’s, dat wil toch iedereen?”