[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Onderzoekers zetten belangrijke stap richting nieuwe generatie batterijen

  • From: Jerwin de Graaf <J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx>
  • To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 31 Aug 2020 11:41:54 +0000

Onderzoekers zetten belangrijke stap richting nieuwe generatie batterijen

TU Delft-onderzoekers hebben, in samenwerking met onderzoekers van Tsinghua 
University, een belangrijke stap gezet richting een nieuw soort 
Li-ionbatterijen, de batterijen die onder meer in onze smartphones, laptops en 
elektrische auto's zitten. Het lukte ze voor het eerst om een elektrolyt te 
maken dat goed samengaat met een anode gemaakt van lithiummetaal. Lithiummetaal 
is voor anodes de heilige graal. In theorie kun je met dit materiaal een twee 
tot drie keer hogere energiedichtheid halen dan met de huidige batterijen.

[cid:image002.jpg@01D67F9C.7C1895A0]Li-ionbatterijen bestaan in de basis uit 
drie componenten: twee elektroden, de anode en de kathode, plus een 
'elektrolyt'. Dat is een chemische substantie waarin lithiumionen van de ene 
naar de andere kant stromen. Een klassiek probleem in batterijenland is dat het 
elektrolyt bij het laden en ontladen van Li-ionbatterijen langzaam maar zeker 
kapotgaat. Bij dat proces hopen zich op het grensvlak van het elektrolyt en de 
elektroden afvalproducten op, die er na verloop van tijd voor zorgen dat je 
bijvoorbeeld je mobiele telefoon meerdere keren per dag moet opladen.

Heilige graal
Momenteel worden in commerciële batterijen vooral carbonaten als elektrolyt 
gebruikt. Dat zijn chemische verbindingen met koolstof en zuurstof. Voor de 
huidige Li-ionbatterijen werken die prima. Het elektrolyt gaat maar heel 
langzaam kapot, waardoor Li-ionbatterijen jaren meegaan. "Maar als je de 
energiedichtheid van batterijen wilt vergroten, moet je hele andere materialen 
gebruiken", zegt onderzoeksleider Marnix Wagemaker. Voor anoden is 
lithiummetaal de heilige graal. Daarin kun je namelijk veel meer lithiumionen 
opslaan dan in de anodes van nu, die gemaakt zijn van grafiet, het materiaal 
dat ook in een potloodpunt zit. Meer lithiumionen betekent een hogere 
energiedichtheid, en dus een batterij die langer meegaat voordat hij leeg is.

Een batterij met een anode van lithiummetaal heeft in theorie een 
opslagcapaciteit voor lithium die tot wel 10 keer hoger ligt dan die van onze 
huidige batterijen. Het probleem is dat er geen goede elektrolyt is voor een 
batterij met een anode van lithiummetaal. De elektrolyten die op dit moment 
veel worden gebruikt, gaan in combinatie met een anode van lithiummetaal veel 
te snel kapot. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een elektrolyt ontwikkeld 
op basis van een ander type verbindingen, amiden genaamd. Dit elektrolyt werkt 
wél goed met een anode van lithiummetaal, en is daarom een belangrijke stap in 
de richting van een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen.

Beschermende werking
Het nieuwe elektrolyt verandert niet zoveel aan het verval dat in het binnenste 
van batterijen plaatsvindt. "Net als alle andere elektrolyten gaat ook onze 
elektrolyt kapot door reacties met de elektroden", zegt Wagemaker. "Het 
verschil is dat dit in onze elektrolyt juist een positief effect heeft." De 
afvalstoffen die zich tussen de elektroden en het nieuwe elektrolyt vormen, 
hebben namelijk een beschermende werking. Er ontstaat een laagje dat ervoor 
zorgt dat er niet of nauwelijks meer schadelijke reacties plaatsvinden. 
Bovendien laat het laagje ionen uitstekend door, waardoor de batterij heel lang 
goed blijft werken. "Het is verval, maar dan heel gecontroleerd", aldus 
Wagemaker.

Elektrolyten kunnen uit zoveel verschillende stoffen in zoveel mogelijke 
verhoudingen bestaan, dat het voor de onderzoekers vooral de kunst was om de 
juiste cocktail van chemicaliën te vinden. Het recept voor het nieuwe 
elektrolyt kwam tot stand door een combinatie van een geavanceerde 
rekenmethode, gebaseerd op de wetten van de quantummechanica, en wat Wagemaker 
'chemische intuïtie' noemt. "We wisten dat amides waarschijnlijk een reactie 
zouden aangaan waardoor zich zo'n beschermende laagje zou vormen", legt de 
onderzoeker uit. "Door middel van de theoretische berekeningen konden we verder 
voorspellen wat een goed werkende cocktail zou zijn."

Lithium volgen
Wagemaker werkt bij het Reactor Instituut Delft, de onderzoeksreactor van de TU 
Delft, waar hij de beschikking heeft over een wetenschappelijk instrument dat 
van grote waarde is voor zijn batterijenonderzoek. Dit instrument is in staat 
om met behulp van neutronen de lithium-ionen in het elektrolyt in real-time te 
volgen. De techniek heet Neutron Depth Profiling. Wagemaker: "We konden precies 
zien hoe zich na verloop van tijd een beschermingslaagje de vorming van het 
lithium metaal positief beïnvloedde, en we zagen ook hoe dit de levensduur van 
de batterij verbeterde."

De resultaten van het onderzoek van Wagemaker en zijn team zijn veelbelovend, 
maar er moet nog wel het één en ander gebeuren voordat er een nieuwe en betere 
batterij is, en voordat die op de markt kan worden gebracht. "We hebben nu 
interessante mogelijkheden om lithiumanoden te verbeteren, in combinatie met 
goed werkend elektrolyt. Maar we moeten de kathode ook onder handen nemen, 
anders raak je de winst die je behaald hebt weer kwijt", legt Wagemaker uit. 
Ook zal er nog veel aan optimalisatie moeten worden gedaan. Maar Wagemaker is 
hoopvol. "Ik denk dat het binnen afzienbare tijd gaat lukken om op labschaal 
een batterij te maken met een twee tot drie keer hogere energiedichtheid dan 
onze huidige batterijen. Weliswaar nog niet met een levensduur van duizenden 
laad-ontlaadcycli, maar wel met honderden."

***

Meer informatie:

"Interface chemistry of an amide electrolyte for highly reversible lithium 
metal batteries", Qidi Wang, Zhenpeng Yao, Chenglong Zhao, Tomas Verhallen, 
Daniel P. Tabor, Ming Liu, Frans Ooms, Feiyu Kang, Alán Aspuru-Guzik, 
Yong-Sheng Hu, Marnix Wagemaker & Baohua Li, Nature Communications

DOI: 
10.1038/s41467-020-17976-x<https://www.nature.com/articles/s41467-020-17976-x>

Contact:

Prof. dr. ir. Marnix Wagemaker
+31 (0)15 27 83800
M.Wagemaker@xxxxxxxxxx<mailto:M.Wagemaker@xxxxxxxxxx>

Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)
+31 (0)6 42 71 72 27
J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx<mailto:J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx>


JPEG image

JPEG image

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Onderzoekers zetten belangrijke stap richting nieuwe generatie batterijen - Jerwin de Graaf