De prestaties en levensduur van lithium-ionbatterijen kunnen worden verbeterd, zo blijkt uit onderzoek van de TU Eindhoven. Dit kan door de toevoeging van een ultradunne beschermlaag op de elektroden van enkele atoomlagen dik.
Batterijen spelen een belangrijke rol in de overgang naar een duurzame wereld en daarom is veel onderzoek gericht op batterijen die beter presteren, veiliger, lichter en goedkoper zijn. Natuurkundige Norah Hornsveld van de TU Eindhoven werkte aan het begrijpen en optimaliseren van nanometer-dunne filmlagen om de oplaadbare lithium-ionbatterij te verbeteren. “Li-ion batterijen hebben een relatief hoge energie- en vermogensdichtheid, maar gezien de grote maatschappelijke vraag is dat voor veel toepassingen nog niet hoog genoeg. Een ander probleem is de veiligheid. De elektrolytvloeistof is brandbaar en kan onder bepaalde omstandigheden zelfs ontploffen.”
Volgens Hornsveld ontstaan de meeste problemen op het grensvlak tussen de elektrode en de vloeibare elektrolyt. Als een batterij voor het eerst wordt opgeladen, ontstaat daar door de chemische reacties een tussenfase. Die kan erg dik en poreus worden en actieve Li-ionen verbruiken. Dit beperkt de prestaties en de duurzaamheid van de batterij.
Een paar atoomlaagjes dik
Hornsveld deed daarom onderzoek naar het maken van nanometerdunne laagjes die je op dat raakvlak kunt aanbrengen om de elektrode te beschermen. “Het is belangrijk dat die laagjes heel dun zijn, zodat ze geen extra weerstand in de batterij creëren, maar ook uniform, zodat ze de elektroden goed kunnen beschermen”, zegt Hornsveld.
Ze gebruikte Atomic Layer Deposition (ALD) om dunne filmlaagjes te ontwikkelen. “Met behulp van gassen en plasma kunnen we in een reactor een film van één of meer atoomlagen laten groeien. Door het zelfbeperkende karakter van ALD lukt dat op een zeer gecontroleerde manier. Overal heeft de film dezelfde dikte en superkwaliteit.”
“We konden films maken van verschillende materialen, met variabele eigenschappen zoals samenstelling, laagdikte en kristalliniteit. Dit is belangrijk om de film te kunnen aanpassen aan specifieke elektrodematerialen.”
Vastestofbatterij
Met de ontwikkelde processen hoopt Hornsveld meer inzicht te geven in de mogelijkheden om de interface van de batterij te verbeteren en de elektroden van een beschermende laag te voorzien. Ze denkt ook dat haar werk zal bijdragen aan de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie, zoals de vastestofbatterij. In deze batterij is de elektrolyt een vast materiaal in plaats van een vloeistof, zodat er minder problemen zijn op het grensvlak elektrode-elektrolyt. De vastestofbatterij is daardoor veiliger en heeft een hogere energiedichtheid.
“Mijn onderzoek laat zien dat plasma ALD-processen ook heel interessant kunnen zijn voor het maken van batterijmaterialen, omdat deze meer vrijheid bieden om de eigenschappen van de lagen aan te passen. Daarnaast kunnen ze worden gebruikt om een uniforme dunne laag aan te brengen op 3D-structuren,” aldus Hornsveld.
Bron: TU Eindhoven
