Een nieuwe techniek voor lithium-ion accu’s kan ervoor zorgen dat ze sneller zijn op te laden. Er was al een opvolger voor het ‘werkpaard’ grafiet, en de aanname was dat dit nieuwe materiaal niet te verbeteren zou zijn. Dat kan wél, vonden onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Door een nanostructuur in het materiaal aan te brengen, komen er meer ‘weggetjes’ vrij voor lithium ionen. Daardoor kan de accu sneller opladen, laten ze zien in het Journal of Power Sources.
Een lithium ion-batterij zien we in de meest uiteenlopende toepassingen terug. Het is niet overdreven om te zeggen dat lithium onze informatiemaatschappij en mobiliteit verandert. Lithium beweegt, door een vloeistof, tussen twee elektroden. Van oudsher is de ene elektrode, de anode simpel, die bestaat uit grafiet. De kathode bestaat onder meer uit nikkel, mangaan en kobalt. Nu is, als alternatief voor grafiet, niobium-wolfraam-oxide in opkomst. Hiermee is al eerder aangetoond dat het opladen sneller kan. Dat komt doordat de materiaalstructuur kanaaltjes bevat die lithium-ionen beter toegang verschaffen: het gaat er eenvoudiger doorheen dan door grafiet. Volgens de onderzoekers die eerder deze resultaten lieten zien, heeft NbWO al zulke mooie eigenschappen dat het geen toegevoegde waarde zou hebben om het materiaal eerst een structuur op nanoniveau te geven. Dat deden de UT-onderzoekers wél, met als resultaat dat de accu sneller oplaadt.
Die structuren maken ze door de stof te verhitten, ‘calcineren’, in een oven, zodat nanodeeltjes van enkele tientallen tot enkele honderden nanometers overblijven. Zo ontstaan veel meer ‘uitgangen’ voor lithiumionen dan alleen de kanaaltjes uit het eerdere onderzoek, omdat elk nanokorreltje aan zijn grens lithium ionen kan geleiden.
VOORAL VOOR GROOTSCHALIGE Opslag
De aangepaste elektrode maakt de accu helaas minder geschikt voor bijvoorbeeld een elektrische auto: daar is snel opladen natuurlijk ook gewenst, maar van de nieuwe cellen zou je een groter accupakket nodig hebben, omdat elke cel minder energie kan leveren.
Juist in bijvoorbeeld ‘peak shaving’, waar een overschot aan energie wordt opgeslagen in een groot accu-centrum, of in zware machines waarin accu’s snel ontladen maar ook weer snel beschikbaar moeten zijn, ziet onderzoeker prof. Mark Huijben wel toepassingen. De onderzoekers willen ook nog nagaan of nog kleinere structuren voordelen hebben. Ook aan de kathode wordt onderzoek gedaan, bijvoorbeeld om minder afhankelijk te zijn van het materiaal kobalt.
Batterijonderzoek
Dit onderzoek vindt plaats in het Twente Centre for Advanced Battery Technology, waarin verschillende aspecten van energieopslag worden onderzocht, inclusief nieuwe materialen. De onderzoekers hebben samengewerkt met collega’s van twee laboratoria van de Wuhan University of Technology in China. TCABT heeft ook nauwe banden met het accu-onderzoekscentrum MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) in Munster, Duitsland.
Het paper ‘Enhanced lithiation dynamics in nanostructured Nb18W16O93 anodes, door Rui Xia, Congli Sun,Yang Wang, Daniel Cunha, Hayang Peng, Kangning Zhao, Mark Huijben en André ten Elshof verschijnt in ‘Journal of Power Sources’.
