Onderzoekers vinden sleutel tot langere levensduur lithium-ionbatterijen: batterijslijtage niet langer onvermijdelijk?
In dit artikel:
Onderzoekers van Argonne National Laboratory en de University of Chicago publiceerden recent in Nature Nanotechnology dat een fundamentele ontwerpfout in veel moderne lithium‑ionbatterijen de oorzaak is van versnelde degradatie en kortere levensduur. De studie richtte zich op single‑crystal nikkelrijke kathodematerialen (SC‑NMC), die de industrie had ingevoerd als robuust alternatief voor de eerder gebruikte polycrystallijne NMC's (PC‑NMC).
Waar PC‑NMC doorgaans faalt door volumeveranderingen en scheuren langs korrelgrenzen, blijkt SC‑NMC op een heel andere manier te bezwijken. In plaats van eenvoudige uitzet‑krimpschade ontstaan in single‑crystal deeltjes nanoschaal roostervervormingen en lokaal geconcentreerde spanningen door ongelijkmatige reactiesnelheden en het uitzetten van chemisch inactieve fasen. Deze spanningsvelden leiden alsnog tot scheurvorming, maar via een ander pad dan bij polycristallijne kathodes. Zodra scheuren diep genoeg worden, kan elektrolyt binnendringen, wat nevenreacties, zuurstofafgifte en in extreme gevallen thermische runaway veroorzaakt — en in elk geval verlies van capaciteit en actieradius oplevert.
Een verrassende uitkomst is dat de gebruikelijke materiaalkeuzes niet zomaar overdraagbaar zijn: kobalt, vaak gezien als twijfelachtige toevoeging vanwege kosten en geopolitieke aspecten, blijkt in SC‑NMC juist te helpen door lokale spanningen te dempen. Mangaan, bedoeld om kosten te drukken en structuur te stabiliseren, kan in single‑crystal structuren juist versnellende degradatie bevorderen. Dat betekent dat ontwerpregels uit de polycrystalline wereld niet zonder meer geldig zijn voor single‑crystal kathodes.
De implicatie voor de batterijsector is concreet: SC‑NMC vereist eigen samenstellingen en microstructurele regels om levensduur, energiedichtheid en veiligheid te verbeteren. Door dit mechanisme te begrijpen kunnen fabrikanten gerichter materialen ontwerpen voor elektrische voertuigen en grootschalige opslag, en zo het vertrouwen in duurzame accu’s vergroten — een voorwaarde voor verdere elektrificatie.