Lithium-ionbatterijen voeden een breed scala aan apparaten, van smartphones en laptops tot elektrische voertuigen. Hoewel ze handig zijn, brengen deze batterijen een veiligheidsrisico met zich mee: als ze doorboord of verbogen worden, kunnen ze ontbranden in een gevaarlijke kettingreactie. Onderzoekers hebben echter een belangrijke doorbraak bereikt, waarbij ze een manier hebben gedemonstreerd om intrinsiek veiligere lithium-ionbatterijen te maken door middel van een verrassend eenvoudige aanpassing: het veranderen van slechts één materiaal in de constructie van de batterij. Deze vooruitgang zou in de komende jaren kunnen leiden tot massaproductie van veiliger batterijen.
Het risico begrijpen: Thermal Runaway
Lithium-ionbatterijen werken met een specifiek ontwerp: een grafietelektrode, een metaaloxide-elektrode en een elektrolyt bestaande uit een lithiumzout opgelost in een oplosmiddel. Deze vloeibare elektrolyt laat lithiumionen stromen, waardoor de batterij kan worden opgeladen en ontladen. Juist dit ontwerp maakt ze echter kwetsbaar. Als een batterij beschadigd raakt (doorboord of verbogen) waardoor er kortsluiting ontstaat, kan de opgeslagen chemische energie extreem snel vrijkomen. Deze snelle vrijgave van energie veroorzaakt een proces dat ‘thermal runaway’ wordt genoemd en dat tot brand of zelfs een explosie leidt.
Huidige veiligheidsoplossingen en de nieuwe aanpak
Wetenschappers hebben verschillende strategieën onderzocht om dit risico te beperken. Sommige benaderingen omvatten beschermende gels of vervangingen in vaste toestand voor de vloeibare elektrolyt. Een team van de Chinese Universiteit van Hong Kong heeft echter een nieuw ontwerp ontwikkeld dat de bestaande batterijarchitectuur handhaaft. Hun cruciale innovatie ligt in het veranderen van het elektrolytmateriaal, waardoor de productiekosten en productieprocessen relatief onveranderd blijven.
De sleutel: het ‘Bad Boy’-anion isoleren
De hoofdoorzaak van thermische runaway is de afbraak van chemische bindingen. Concreet verbreken negatief geladen ionen, anionen genaamd, hun bindingen met lithium in de batterij. Bij het verbreken van de binding komt warmte vrij, waardoor de destructieve cyclus wordt versneld.
Om dit te voorkomen introduceerden de onderzoekers een secundair oplosmiddel genaamd lithiumbis(fluorsulfonyl)imide. Dit nieuwe oplosmiddel bindt zich alleen met lithium bij hogere temperaturen, vooral wanneer de thermische overstroming al begint. In tegenstelling tot het conventionele oplosmiddel laat dit nieuwe materiaal de vorming van anionbindingen niet toe, waardoor de bron van de toenemende warmteafgifte effectief wordt afgesloten. Bij een demonstratie werd een batterij die dit nieuwe oplosmiddel gebruikte slechts 3,5°C opgewarmd als hij met een spijker werd doorboord, een schril contrast met de temperatuurstijging van 500°C die werd waargenomen bij conventionele batterijen.
“De slechte jongen is het anion, dat veel bindingsenergie heeft – en het zijn deze bindingen die breken en die een thermische runaway veroorzaken”, legt Gary Leeke van de Universiteit van Birmingham uit. “Deze nieuwe aanpak isoleert de slechte jongen van dat proces – het is een grote sprong in termen van batterijveiligheid.”
Prestaties en toekomstperspectieven
De gemodificeerde batterijen hebben veelbelovende prestaties laten zien. Uit tests bleek dat ze na 4100 gebruiksuren 82 procent van hun capaciteit behouden, waardoor ze concurrerend zijn met bestaande technologie. Deskundigen voorspellen dat dit innovatieve oplosmiddel kan worden geïntegreerd in de volgende generatie batterijen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor massaproductie binnen drie tot vijf jaar. Deze vooruitgang markeert een belangrijke stap in de richting van een veiligere en betrouwbaardere energieopslag voor een breed scala aan toepassingen. > Deze relatief eenvoudige verandering in materialen belooft een revolutie teweeg te brengen in de batterijveiligheid, waardoor het risico op brand en explosies in alledaagse apparaten en elektrische voertuigen wordt geminimaliseerd.
