Nieuw additief laat batterijen 1.000 laadbeurten overleven met 95,6% capaciteit

Elektrische auto's en telefoons verliezen na verloop van tijd batterijcapaciteit. Onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) denken een deel van dat probleem te hebben opgelost met een nieuwe chemische stof: pentafluorophenyl thiophene imine, afgekort FPTI. Het middel wordt toegevoegd aan de elektrolyt, de geleidende vloeistof in een batterij, en verbetert de bescherming van de grafietanode.

Een betere beschermlaag

Bij het eerste gebruik van een lithium-ionbatterij vormt zich op het grafiet een dun laagje, de zogeheten SEI-laag. Deze laag is cruciaal: hij laat lithiumionen door, maar voorkomt ongewenste bijreacties die de batterij aantasten. Wordt deze laag instabiel, dan gaat er actief lithium verloren en neemt de weerstand toe, wat de batterij sneller laat verslijten.

De onderzoekers voegden FPTI toe aan een gangbare elektrolyt, in concentraties van 2 en 4 milligram per milliliter. Het additief reageert al vroeg tijdens het opladen en helpt een stabielere, beter geleidende SEI-laag vormen. Metingen laten dat zien: de weerstand van de laag daalde van 7,6 naar 2,2 ohm bij de hoogste concentratie, en de weerstand bij ladingsoverdracht viel terug van 41,8 naar 19,8 ohm. Volgens onderzoeksleider prof. Matsumi dragen zowel de zwavel- en imine-bevattende delen van het molecuul als het fluoratoom bij aan deze verbetering, onder meer door een laagje rijk aan lithiumfluoride te vormen.

Grote verschillen na duizend laadbeurten

Het effect werd pas echt duidelijk bij langdurig testen. Een batterij zonder additief zakte na ongeveer 350 laadcycli al snel in capaciteit en hield er na 1.000 cycli nog 62,7% van over. Met 2 milligram FPTI per milliliter bleef 89,4% van de capaciteit behouden, en met 4 milligram zelfs 95,6%.

De onderzoekers testten het additief ook in een volledige batterij, met een grafietanode en een NMC811-kathode, een veelgebruikt kathodemateriaal met nikkel, mangaan en kobalt. Daarbij bleek dat FPTI rechtstreeks in de elektrolyt van de volledige cel juist averechts werkte: het verhoogde de weerstand aan de kathodekant. De oplossing was om alleen de grafietanode vooraf te behandelen met FPTI, de SEI-laag daar te laten vormen, en vervolgens de batterij met gewone elektrolyt samen te stellen.

Dat leverde duidelijke winst op in energiedichtheid: een cel met vooraf behandeld grafiet (4 mg/ml) haalde ongeveer 233 Wh per kilogram, tegenover 130 Wh/kg voor de onbehandelde controlecel. Het laat volgens de onderzoekers zien dat een additief dat de ene elektrode verbetert, bij de andere juist problemen kan veroorzaken, en dat gerichte behandeling daarom vaak effectiever is dan het toevoegen van een stof aan de hele batterij. Voordat de techniek in commerciële batterijen kan verschijnen, is nog onderzoek nodig naar grotere batterijformaten en uiteenlopende gebruiksomstandigheden. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Fuels.