Zeolietmineraal in batterijseparator verhoogt capaciteit met 42 procent

Lithium-metaalbatterijen gelden als veelbelovende opvolger van gewone lithium-ionbatterijen: ze kunnen meer energie opslaan in hetzelfde gewicht. Het probleem is dat ze slecht presteren als je ze snel oplaadt of leegtrekt. Onderzoekers van de Hanbat National University in Zuid-Korea denken nu een deel van dat probleem te hebben opgelost, niet door de elektroden te veranderen, maar door de dunne scheidingslaag tussen de twee polen te vervangen.

Die scheidingslaag, de separator, houdt de positieve en negatieve elektrode uit elkaar terwijl lithiumionen er wel doorheen moeten kunnen. Het team onder leiding van professor Sun-Yul Ryou ontwikkelde een separator van poreuze cellulose die is verrijkt met bikitaïet, een zeolietmineraal met een fijnmazige kristalstructuur. Die combinatie, die de onderzoekers CBT noemen, creëert kanaaltjes waardoor lithiumionen gelijkmatiger door de batterij bewegen.

Meer capaciteit bij hoge snelheid

Het effect is vooral zichtbaar bij hoge laad- en ontlaadsnelheden, uitgedrukt in de zogeheten C-rate. Bij een gematigde snelheid van 1C leverden batterijen met de nieuwe separator evenveel op als cellen met een gangbare polyethyleen-separator: ongeveer 197 milliamp-uur per gram. Bij 2C liep het verschil al op tot 187 tegenover 165 milliamp-uur per gram. Bij 4C, een snelheid waarbij een batterij in vijftien minuten vol of leeg is, haalde de nieuwe separator 163 milliamp-uur per gram tegen 115 voor de standaardversie. Dat is een verbetering van ongeveer 42 procent. Opvallend is dat dit voordeel optreedt bij een nikkelrijke NCM90-kathode, wat volgens de onderzoekers laat zien dat een separator niet alleen de negatieve maar ook de positieve elektrode kan helpen.

Geen kristalgroei, ook bij extreme temperaturen

Snel laden van lithium-metaalbatterijen brengt een bekend risico met zich mee: op de negatieve elektrode kan lithium ongelijkmatig neerslaan en naaldvormige kristallen vormen, dendrieten genoemd. Die kunnen een kortsluiting veroorzaken. Met de CBT-separator zagen de onderzoekers bij real-time waarnemingen geen zichtbare dendrietgroei. In plaats daarvan vormde het lithium een gladdere, compactere laag. Na 2.500 laad- en ontlaadcycli hielden de cellen nog ongeveer 60 procent van hun oorspronkelijke capaciteit over. Ook bij extreme temperaturen presteerde het materiaal goed: bij -25 graden Celsius bleef na 150 cycli nog 68,9 procent van de capaciteit over, en bij 200 graden bleef de separator stabiel.

Volgens Ryou moet een separator niet langer alleen worden gezien als een simpele scheidingswand. "Door het ionentransport door de hele cel te sturen, kunnen separators een belangrijk ontwerpelement worden voor batterijen die zowel veel energie opslaan als snel kunnen laden," aldus de onderzoeker. Een belangrijk voordeel is dat de aanpak geen nieuwe elektroden vereist en in theorie past binnen bestaande productielijnen voor batterijen. De separator is tot nu toe alleen getest in laboratoriumcellen; onderzoek in commerciële pouch- en cilindrische cellen moet nog volgen voordat de techniek de weg naar consumentenproducten kan vinden. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials.