Het op-/ontlaadproces werd onderbroken en de uit elkaar gepeuterde knoopcel werd met röntgenstralen bekeken (foto: Standford-universiteit)
Een langzame op- en ontlading zou goed zijn voor de duurzaamheid van lithium/ion-batterijen, maar volgens onderzoekers van, onder meer, de Amerikaanse Stanford-universiteit hoeft snelle op- en ontlading helemaal niet zo slecht te zijn. Integendeel. Veranderingen aan de elektrodes van de batterijen zouden dat mogelijk kunnen maken, waardoor bovendien de levensduur van de batterijen zou kunnen worden verhoogd. Twee vliegen in een klap, dus.
Onderzoeker William Chueh: “Wat er gebeurt tijdens het opladen en ontladen aan de elektroden is een van de vele factoren, die de levensduur bepalen, maar tot nu toe had men daar weinig kijk op. Wij hebben een nieuwe manier van denken gevonden over de achteruitgang van batterijen.” Volgens Chueh kunnen de bevindingen die uit het onderzoek voortvloeien direct worden toegepast bij de elektroden die nu in batterijen worden gebruikt en ook voor lithiumbatterijen die nog in ontwikkeling zijn.
Een grote bron van ellende is het voortdurend zwellen en krimpen van de elektroden tijdens de laadcycli. De onderzoekers keken bij dit onderzoek naar de miljarden deeltjes lithiumijzerfosfaat waar een anode uit bestaat. Als de meeste of al die deeltjes aan de laad/ontlaadcycli meedoen, dan laadt de batterij gelijkmatiger en rustiger op. Als slechts een kleine gedeelte aan die cycli deelneemt dan is het waarschijnlijker dat de elektrode scheurt en het uiteindelijk begeeft. Eerdere studies hadden elkaar tegensprekende resultaten te zien gegeven over hoe die deeltjes zich gedragen.
Om die kwestie beter te kunnen onderzoeken maakt de onderzoekers knoopcelbatterijen die met verschillende stroomsterktes opgeladen en ontladen werden in variërende op-/ontlaadtijden. Vervolgens werden de batterijtjes uit elkaar gehaald en het op-/ontlaadproces gestopt. De elektroden werden in heel dunne partjes gesneden en met röntgenstraling bekeken. Mede-onderzoeker Yiyang Li: “Zo konden we duizenden deeltjes tegelijkertijd bekijken tijdens het op- en ontladen.” Met een analysemodel van het MIT in Cambridge (VS) ontdekten de onderzoekers dat slechts een klein deel van de deeltjes lading opneemt bij oplading, ook bij een zeer snelle. Bij het ontladen gebeurde er iets interessants. Als de ontlading boven een bepaalde snelheidsdrempel kwam, namen steeds meer deeltjes aan dat proces deel, waardoor het hele proces gelijkmatiger verliep en minder schade veroorzaakte. Dat opent dus de mogelijkheid de batterijen sneller te (ont)laden bij een langere levensduur.
De volgende stap voor de onderzoekers is de batterijen honderden of duizenden keren de laadcycli te laten doorlopen om het echte ‘leven’ van de batterij na te bootsen. Ook willen ze in batterij gaan gluren om te zien wat daar echt gebeurt. Nu hebben ze nog het (ont)laadproces steeds gestopt en momentopnames gemaakt. Dat vervolgonderzoek zou in deeltjesversnellers kunnen gebeuren. Li heeft al contact met vertegenwoordigers van batterijfabrikanten over de praktische kant van zijn onderzoek. Het geld voor het onderzoek kwam, onder meer, van het Koreaanse bedrijf Samsung.