Ons leven wordt tegenwoordig bepaald door elektronica in alle vormen en maten. Elektronica wordt op zijn beurt bestuurd door hun batterijen. De traditionele lithium-ionbatterijen (LIB's), die veel worden gebruikt in elektronische apparaten, raken echter uit de gratie omdat onderzoekers lithium-metaalbatterijen (LMB's) beginnen te zien als een superieur alternatief vanwege hun opmerkelijk hoge energiedichtheid die meer dan LIB's met een orde van grootte. Het belangrijkste verschil ligt in de keuze van het anodemateriaal: LIB's gebruiken grafiet, terwijl LMB's lithiummetaal gebruiken.
Een dergelijke keuze brengt echter zijn eigen uitdagingen met zich mee. Een van de meest prominente is de vorming van naaldachtige structuren op het oppervlak van de lithiumanode tijdens het fietsen, 'dendrieten' genoemd, die de neiging hebben de barrière tussen de anode en kathode te doorboren, wat kortsluiting en bijgevolg veiligheidsproblemen veroorzaakt. “De vorming van Li-dendriet is sterk afhankelijk van de aard van het oppervlak van lithiumanodes. Een cruciale strategie voor LMB’s is daarom het bouwen van een efficiënte vaste-elektrolytinterface (SEI) op het lithiumoppervlak”, legt prof. Yong Min Lee van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science en Technologie (DGIST), Korea, gespecialiseerd in batterijontwerp.
Dienovereenkomstig hebben onderzoekers verschillende strategieën onderzocht, van 2D-interface-engineering tot 3D-lithiumanode-architectuur. In beide gevallen heeft het oplossen van het ene probleem slechts plaatsgemaakt voor een ander. Een nieuwe benadering op basis van lithium-metaalpoeder (LMP) composietelektroden belooft echter op te vallen. De aantrekkingskracht van LMP ligt in hun bolvorm, wat resulteert in een groter oppervlak en gemakkelijke afstembaarheid van de dikte, waardoor bredere en dunnere elektroden mogelijk zijn. Er bestaan echter nog steeds problemen met het gebruik van LMP, zoals het morfologische falen veroorzaakt door de inherente aard van hun oneffen oppervlak.
Nu, in een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen, hebben Dr. Lee, samen met onderzoekers uit Korea, een nieuwe benadering aangenomen waarin ze LiNO3 vooraf in de LMP zelf hebben geplant tijdens het fabricageproces van de elektroden, waardoor ze ~ 150 mm brede en 20 μm dikke elektroden konden fabriceren, die een coulombefficiëntie van 96% vertoonde.
De toevoeging van LiNO3 aan LMP bracht twee dingen tot stand: het induceerde een uniforme N-rijke SEI op het LMP-oppervlak en leidde tot zijn aanhoudende stabilisatie gedurende langdurige cycli als LiNO3 werd gestaag afgegeven aan het elektrolyt. In feite zijn LMB's met LiNO3 pre-planted LMP (LN-LMP) vertoonde een uitstekende cyclusprestatie, met 87% capaciteitsbehoud gedurende 450 cycli, beter dan zelfs cellen met LiNO3-toegevoegde elektrolyten.
Prof. Lee is enthousiast over deze bevindingen en spreekt over hun praktische gevolgen. "We verwachten dat het pre-planten van Li-gestabiliseerde additieven in de LMP-elektrode een opstap zou zijn naar de commercialisering van grootschalige Li-metaal-, Li-S- en Li-air-batterijen met een hoge specifieke energie en een lange levensduur", hij zegt.
Met betrekking tot batterijen lijkt het erop: lithium gaat niet snel uit de mode.