Grafeen en de doorbraak in Lithium-zuurstof batterijen | Grafeen (graphene)
Grafeen en de doorbraak in Lithium-zuurstof batterijen

Wetenschappers hebben een indrukwekkende doorbraak geleverd in hun zoektocht naar betere batterij chemie.

De technologieën die we dagelijks gebruiken worden steeds kleiner, sneller en goedkoper – met de opmerkelijke uitzondering van de batterij.

Het duurde bijna 20 jaar om de energie-inhoud van een typische Li-ion batterij te verdrievoudigen terwijl het aantal transistors en de snelheden en algehele computerkracht van processoren elke twee jaar
verdubbelen ( zie de wet van Moore).

Batterijen zijn de achterblijvers in onze technologische vooruitgang, diesels die moeten warmlopen in het verslaan van benzine aan de top, als de belangrijkste krachtbron.

Het gebrek aan uitmuntende batterijen staat rechtstreeks in verband met het oponthoud van de brede invoering van twee belangrijke schone technologieën: elektrische auto’s en grootschalige opslag van zonne-energie.

Nu, een team van wetenschappers, inclusief onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, hebben aangetoond hoe ze een aantal van de huidige belemmeringen in de ontwikkeling van deze applicaties kunnen oplossen en overkomen.

In het labo wisten ze een operationeel demonstratiemodel van een lithium-zuurstof batterij te ontwikkelen dat een zeer hoge energiedichtheid bevat, efficiënter is en een verbeterde stabiliteit kent als voorgaande exemplaren.

Het toestel kan meer dan 2000 maal worden opgeladen.

Het team zelf schetst hun nieuw lithium-zuurstof toestel tot de ultieme batterij voor de toekomst.

“In hun eenvoudigste vorm bestaan batterijen uit drie componenten: een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt,” zei Tao Liu, van de afdeling Scheikunde en eerste
auteur van het onderzoeksartikel.

In de lithium-ion (Li-ion) batterijen die we vandaag gebruiken in onze laptops en smartphones, wordt de negatieve elektrode uit grafiet (een vorm van koolstof) gemaakt, de positieve elektrode van een metaaloxide, zoals lithium kobaltoxide, en het elektrolyt een lithiumzout dat is opgelost in een organisch oplosmiddel.

De werking van de batterij is afhankelijk van de beweging van lithiumionen tussen de elektrodes.

Li-ion batterijen zijn licht, maar hun capaciteit neemt af met de leeftijd, en hun relatief lage energie dichtheden betekent evenveel dat ze regelmatig moeten worden opgeladen.

Een volgende generatie energieopslagtoestellen zijn mogelijk lithium-luchtbatterijen ( of lithium-zuurstof ) vanwege hun extreem hoge energiedichtheid. Echter in het verleden bleven pogingen gelimiteerd tot laag rendement, slechte prestaties en tot ongewenste chemische reacties, terwijl het enkel werkend is met zuivere zuurstof.

Grey, Liu en hun collega’s sloegen een andere weg in als eerder gefabriceerde types, niet waterachtige lithium-lucht batterijen vertrouwend op lithiumhydroxide (LiOH) in plaats van lithium peroxide (Li2O2).

Het demonstratiemodel berust op een hoogporeuze koolstof elektrode uit grafeen ( een atoom-dikke honingraat van koolstofatomen) en additieven die de chemische reacties op de werkvloer in de batterij wijzigen, waardoor deze stabieler en doeltreffender wordt.

Met de toevoeging van water en het gebruik van lithiumjodide als ‘bemiddelaar’ vertoonde de accu veel minder van de chemische reacties die kunnen leiden tot het afsterven van cellen, waardoor het veel stabieler is na meerdere laad- en ontlaadcycli.

Door de nauwkeurige opbouw van de structuur van de elektrode en deze te vormen tot een sterk poreuze vorm van grafeen, lithiumjodide toe te voegen, en de chemische samenstelling van de elektrolyt te veranderen, konden de onderzoekers de “spanningskloof tussen lading en ontlading verlagen tot 0,2 volt .

Een kleine spanningskloof verleent zich tot een efficiëntere batterij.

Eerdere versies van een lithium-lucht batterij slaagden erin om de kloof te dichten tot 0.5 – 1,0 volt, terwijl 0,2 volt korter aanleunt bij die van een Li-ion batterij, en overeenstemt met een energie-efficiëntie van 93%.

De zeer poreuze grafeen elektrode verhoogt evenwel de capaciteit van het demonstratiemodel, hoewel slechts op bepaalde tempo’s van laden en ontladen.

Andere kwesties die nog moeten worden aangepakt zijn het vinden van een manier om de metalen elektrode te beschermen, zodat het geen dunne lithiummetaal vezels kan aanmaken, bekend als dendrieten.

Die kunnen leiden tot ontploffende batterijen als ze blijven groeien, omdat ze kortsluiting in de batterij vormen.

Bovendien kan het demonstratiemodel alleen werken op zuivere zuurstof, terwijl de lucht om ons heen ook kooldioxide, stikstof en vocht bevat, over het algemeen schadelijk voor het metaalelektrode.

Wat we bereikt hebben is een belangrijke stap vooruit voor deze technologie en stelt geheel nieuwe gebieden aan onderzoek voor.
– Claire Grey

De resultaten die werden gerapporteerd in het tijdschrift Science zijn enorm veelbelovend, toch waarschuwen de wetenschappers dat een praktische lithium-zuurstof batterij een ambitie is die pas echt over tien jaar zou kunnen openbloeien.

Apart daarvan, de uitstekende prestaties in combinatie met de simplistische, schaalbare en ongevaarlijke aanpak maken het proces een veelbelovende kandidaat voor Li-ion batterij technologie.

Bron: eng.cam.ac.uk


3D print schaalmodel structuur grafeen