Een Amerikaans onderzoeksteam onthulde iets verrassends over lithiumbatterijen
Voor het eerst ooit onderzocht een Amerikaans onderzoeksteam de mechanische eigenschappen van de microscopische structuren die zich binnenin lithiumaccu’s vormen. De bevindingen veranderen fundamenteel hoe we denken over het ontwerp van batterijen.
Een gewone lithium-ionbatterij in een telefoon of elektrische auto bestaat uit twee elektroden gescheiden door een dun isolerend laagje — een separator. Tijdens het opladen beginnen er microscopische naalden te groeien op het oppervlak van de lithiumanode. Onderzoekers noemen deze structuren dendrieten. Ze zijn tot honderd keer dunner dan een menselijk haar.
Wat gebeurt er wanneer dendrieten ongecontroleerd groeien?
Deze naaldvormige structuren groeien bij elke oplaadcyclus een stukje verder. Zodra ze lang genoeg zijn om door de separator te dringen, ontstaat er een interne kortsluiting voor elektronen. In plaats van door het externe circuit te stromen, verplaatst de lading zich rechtstreeks van de ene elektrode naar de andere.
Het gevolg is een interne kortsluiting, snelle opwarming, dalende capaciteit en in het ergste geval brand of explosie. Naar schatting treft deze vorm van geleidelijke schade miljoenen batterijen per jaar. Fabrikanten proberen het probleem doorgaans te verbergen via reservecapaciteit en agressieve veiligheidssystemen — maar de wetten van de natuurkunde laten zich niet eeuwig om de tuin leiden.
Iedereen had het mis — dendrieten zijn helemaal niet zacht
De afgelopen jaren werd aangenomen dat dendrieten even plastisch zijn als vast lithium in zuivere vorm. Dat leek logisch: omdat ze uit dit materiaal ontstaan, zouden ze vergelijkbare eigenschappen hebben. Hele batterijstrategieën werden op deze aanname gebouwd — van nieuwe elektrolyten tot versterkte separatoren.
Een onderzoeksteam van het New Jersey Institute of Technology en Rice University besloot deze ogenschijnlijk vanzelfsprekende hypothese experimenteel te toetsen. Ze gebruikten een geavanceerde elektronenmicroscoop in vacuüm om de invloed van zuurstof en vocht uit te sluiten. Vervolgens bogen de onderzoekers afzonderlijke dendrieten en maten ze hun reactie onder belasting.
Wat ze zagen, paste in geen enkel leerboek. In plaats van een geleidelijke vervorming braken de lithiumnaalden plotseling — zonder voorafgaande buiging. Dendrieten gedragen zich als brosse, stijve micronaaldjes, niet als zacht en buigzaam metaal.
De gemeten sterkte was schokkend hoog
De gemeten treksterkte bereikte ongeveer 150 megapascal, terwijl vast lithium slechts 0,6 megapascal heeft. We hebben het dus over structuren die meer dan tweehonderd keer harder zijn dan het materiaal waaruit ze ontstaan. De verklaring ligt in een ultradun oxidlaagje dat zich in een fractie van een seconde op het oppervlak van de naalden vormt.
Dit nanometerlaagje is slechts enkele nanometer dik, maar het verandert het gedrag van het materiaal volledig — van zacht metaal naar een harde, brosse structuur die doet denken aan keramiek. Deze resultaten werden gepubliceerd door onderzoekers van universiteiten in New Jersey en in Houston, Texas.
Daarom verliezen lithiumbatterijen capaciteit — en kunnen ze beginnen te branden
De onderzoekers identificeerden verschillende centrale problemen die samenhangen met dendrieten:
- Microscopische lithiumnaalden dringen door de separator en veroorzaken interne kortsluitingen
- Bij elke oplaadbeurt groeien de dendrieten verder
- Het oxidlaagje op het oppervlak verandert de eigenschappen van het materiaal van zacht naar bros
- Afgebroken fragmenten vormen wat men dood lithium noemt binnenin de batterij
- Dood lithium draagt niet meer bij aan de chemische reactie, maar blijft in de elektrolyt achter
- Met elke cyclus daalt de hoeveelheid actief lithium — en daarmee de totale capaciteit
- Elektrische auto’s verliezen geleidelijk actieradius, smartphones verliezen batterijduur
Elke oplaadcyclus produceert nieuwe fragmenten. Na verloop van tijd daalt de capaciteit met tientallen procenten. De gebruiker merkt het als een steeds kortere gebruiksduur van de telefoon of een verminderd rijbereik van de elektrische auto. De batterij is niet fysiek versleten — maar een groot deel van het materiaal is elektrochemisch onbruikbaar geworden.
Driemaal zo veel rijbereik wordt geblokkeerd door dendrietziek
Deze hele problematiek wordt nog belangrijker wanneer we kijken naar de technologie achter lithium-metaalbatterijen. Bij deze oplossing wordt de grafietanode vervangen door puur lithium. In de praktijk zou dat een tot driemaal hogere energiedichtheid betekenen. Een elektrische auto zou niet driehonderd, maar achthonderd tot negenhonderd kilometer op één lading kunnen rijden — zonder dat de batterij groter hoeft te worden.
Dat klinkt als de heilige graal van de elektrische voertuigtechnologie. Het is dan ook niet verwonderlijk dat grote concerns miljarden dollars in onderzoek op dit gebied investeren. Het probleem is dat dendrieten juist in zulke batterijen het gevaarlijkst zijn — ze groeien sneller en in veel grotere aantallen dan in klassieke lithium-ionaccu’s.
Onderzoekers van NJIT maten een mechanische sterkte die zelfs de meest ervaren experts verraste. De stijve microstructuren kunnen gemakkelijk door de separator en bepaalde polymere of keramische materialen dringen. Dat verklaart waarom huidige concepten met vaste elektrolyten onvoldoende blijken te zijn.
Nieuw inzicht in batterijen — materialen moeten bestand zijn tegen harde naalden
Huidige concepten voor supersafe accu’s zijn vaak gebaseerd op zogenaamde vaste elektrolyten. In theorie zou zo’n materiaal weerbaarder zijn dan een vloeistof en dendritengroei als een panterschild blokkeren. De nieuwste resultaten suggereren echter dat dit niet voldoende is.
De onderzoekers wijzen op drie mogelijke richtingen voor vervolgonderzoek. De eerste is de ontwikkeling van nieuwe lithiumlegeringen — het toevoegen van andere elementen om de vorming van het harde oxidlaagje te beperken en het groeipatroon van de naalden te veranderen. De tweede richting gaat over separatoren met een flexibele structuur, die niet alleen sterker zijn, maar ook mechanische spanning kunnen absorberen.
De derde weg zijn additieven in de elektrolyt — chemische verbindingen die de kristalstructuur van nieuw gevormde dendrieten sturen, zodat ze langzamer of in een veiligere richting groeien. Zulke oplossingen kunnen de batterijen van de toekomst met hoge energiedichtheid niet alleen capaciteitsrijker maken, maar ook aanzienlijk duurzamer en minder vatbaar voor plotse storingen.
Wat betekent dit voor elektrische auto’s en energieopslag?
Als het lukt om dendrieten volledig te temmen, kunnen lithium-metaalaccu’s de standaard worden in voertuigen met een rijbereik dat vergelijkbaar is met — of zelfs groter is dan — dat van klassieke verbrandingsmotoren. Voor de gewone automobilist zou dat betekenen: één keer om de paar dagen opladen in plaats van dagelijks, en veel minder zorgen bij langere ritten.
Zulke batterijen zouden ook uitstekend geschikt zijn voor energieopslag bij zonnepanelen en windmolens. Hier telt elke extra kilowattuur die in één batterijbehuizing past, en het aantal cycli dat het systeem meegaat zonder vervanging. Duurzamere en stabielere accu’s kunnen de kosten voor opslag van hernieuwbare energie verlagen — wat een van de grootste uitdagingen is in de groene energietransitie.
Voor de gewone gebruiker betekent deze verschuiving in perspectief bovenal één ding: een reële kans dat batterijen in telefoons, laptops en auto’s over een paar jaar niet langer worden geassocieerd met snelle slijtage en vrees voor zelfontbranding. In plaats daarvan kunnen ze een betrouwbaar en langlevend onderdeel worden van de infrastructuur van het dagelijks leven. Heb jij zelf al eens een snelle capaciteitsdaling gemerkt bij je smartphone of elektrische fiets?
