Tweet

Nieuwe lithium-ion batterij stelt zichzelf samen /2 reacties

Onderzoekers bij MIT hebben een oplaadbare lithium-ion batterij ontworpen die zichzelf samenstelt uit microscopische materialen. Dit kan leiden tot superkleine krachtbronnen voor sensoren en micromachines. Ook wordt het mogelijk om batterijonderdelen op te slaan in de raargevormde, loze ruimtes in elektronica. Dat meldt Technology Review

Yet-Ming Chiang, professor in materialenwetenschap bij MIT, en zijn collega’s selecteerden materialen voor elektrodes en elektrolyten die bij combinatie zichzelf organiseren in de structuur van een werkende batterij.
De onderzoekers zochten naar manieren om de korte-afstandskrachten tussen micro- en nanodeeltjes te benutten. Na het doormeten van zulke krachten met een zeer precieze atoomkracht-microscoop, konden ze materialen selecteren met de juiste combinatie van aantrekkende en afstotende krachten. Het resultaat is dat gelijksoortige materialen samenklonteren en onderling tegengestelde elektrodes vormen waarbij een ruimte overblijft tussen de elektrodes. In deze ruimte kan de batterij opereren.
De vinding haalde de coverstory van het blad Advanced Functional Materials.

Zelfordening

Zelfsamenstelling is aantrekkelijk omdat het fabricagekosten kan drukken en controle geeft op de moleculaire samenstelling van batterijen. Hierdoor ontstaan materialen en componenten die niet makkelijk gefabriceerd kunnen worden met de gebruikelijke technieken.
Zelfordening wordt al langer gebruikt om een aantal materialen te maken en een handvol simpele componenten, waaronder een halve batterij. “Uiteindelijk is het doel om gewoon wat spul in een emmer te gooien en het zichzelf tot een batterij te laten ordenen”, zegt Jeff Dahn, professor Chemie en Natuurkunde op de Dalhousie Universiteit in Canada. Dahn ondersteunde Chiang en noemt zijn prototype van een zelfordende batterij “echt mooie wetenschap,” vindt Dahn.

De onderzoekers moesten een aantal problemen oplossen bij het ontwerpen van hun zelfordende batterijen. Ten eerste waren ze beperkt tot de materialen met de elektrochemische eigenschappen die nodig zijn voor batterijelektrodes. Ten tweede moeten bij elke extra elektrode de deeltjes dichter op elkaar komen te zitten, iets dat bereikt kan worden als er aantrekkingskracht tussen de deeltjes bestaat. Er moet ook aantrekkingskracht zijn tussen de deeltjes en het materiaal dat de elektronen geleidt van en naar de elektrodes (het elektrolyt). Maar vooral moeten de twee elektrodes van de batterij van elkaar gescheiden blijven hetgeen een hele uitdaging is omdat de elektrodes tegenpolen zijn en elkaar aantrekken.

Afstotende krachten

Door hun nieuwe inzichten in de korte-afstandskrachten konden Chiang en zijn collegae twee elektrodematerialen kiezen die, op de korte afstand van maar een paar dozijn nanometers, afstotende krachten hadden die groter waren dan hun aantrekkende krachten. Het resultaat is dat er altijd ruimte blijft tussen de twee elektrodes.
Ze gebruikten Lithium Kobalt Oxide en microkraaltjes van grafiet voor de elektrodes. Materialen die al veel gebruikt worden in lithium-ion-batterijen. De elektrolyt werd met veel zorg gekozen: ionen kunnen vrij bewegen van en naar de elektrodes maar elektronen moeten buitenom waardoor ze een krachtbron worden.
In het prototype van de batterij pakten de microkraaltjes zich samen tot één elektrode die werd aangesloten op een platinum stroomcollector terwijl ze afstand hielden tot de andere elektrode van Lithium Kobalt Oxide. De batterij werd getest en bleek meerdere keren ontladen en opgeladen te kunnen worden.

Kleine apparaatjes

In hoeverre dergelijke batterijen commercieel interessant zijn is de vraag. Dahn legt uit dat bij hedendaagse batterijen enorme druk wordt gebruikt om te zorgen dat het elektrodemateriaal zoveel mogelijk energie kan opnemen. Zulke druk kan niet worden toegepast bij zelfvormende batterijen, waardoor ze misschien niet goed concurreren in energiecapaciteit en misschien ook niet in productiekosten. Ook moet er nog een oplossing worden gevonden voor het verpakken van de materialen als ze zich eenmaal tot een batterij gevormd hebben.
Een mogelijke toepassing is in erg kleine apparaatjes. “Het zou relatief gemakkelijk moeten zijn om een klein component te maken, zo klein als een rijstkorrel. Of kleiner, een speldenknop,”zegt Chiang. Zelfvormende batterijen maken beter gebruik van ruimte dan conventionele batterijen doen, voegt hij toe. Onder meer omdat ze niet aan een vorm gebonden zijn, ze vormen zich in allerlei raargevormde ruimtes in een component of ze volgen de contouren.

Terwijl de onderzoekers toewerken naar zulke toepassingen, zoals misschien militair gebruik in sensoren, zullen ze proberen de vloeibare elektrolyt te vervangen voor een solide polymeer. Het inzicht in de korte-afstandskrachten kan ook gebruikt worden om materialen te selecteren voor toepassing in transistors of bepaalde foto-voltaïsche cellen.