Tin-nanokristallen beloven prestaties van lithium-ionbatterijen van de volgende generatie

Oplaadbare Li-ionbatterijen
Lithium-ion (Li-Ion) batterijen blijven de dominante energiebron voor draagbare elektronica en elektrische voertuigen. Hun hoge energiedichtheid, afwezigheid van een geheugeneffect, langzame zelfontlading en milieuveiligheid – dankzij het gebrek aan vrij lithiummetaal – maken ze tot de voorkeurskeuze voor compacte, lichtgewicht energieopslag. Onderzoekers over de hele wereld zijn nu gefocust op het bevorderen van deze technologie om nog hogere capaciteiten en een langere levensduur te leveren.

Traditioneel gebruiken Li-Ion-anodes grafiet, terwijl kathodes zijn samengesteld uit overgangsmetaaloxiden zoals kobalt, nikkel en mangaan. Anodes van de volgende generatie onderzoeken echter elementen als tin en silicium, die meerdere lithiumionen per atoom kunnen bevatten, waardoor de energieopslag toeneemt.

Lithium-ionbatterijen op basis van nanomateriaal
Een samenwerking tussen het Laboratorium voor Anorganische Chemie van de ETH Zürich en Empa heeft een baanbrekend nanomateriaal voor Li-Ion-anodes opgeleverd. De belangrijkste innovatie is het gebruik van ultrafijne tin-nanokristallen die tot vier lithiumionen per tinatoom kunnen absorberen.

Wanneer deze tinkristallen tijdens het opladen lithium opnemen, zetten ze tot wel drie keer hun oorspronkelijke volume uit. Bij het ontladen krimpen ze terug naar hun oorspronkelijke grootte. Deze aanzienlijke volumeverandering vormt een uitdaging voor bulk-tinelektroden, maar nanotechnologie verzacht dit probleem door een zeer uniforme verdeling van kleine tindeeltjes te creëren. De kristallen zijn ingebed in een poreuze, geleidende koolstofmatrix die mechanische stabiliteit biedt en elektronentransport vergemakkelijkt.

Het fabricageproces omvat twee kritische fasen:kiemvorming van het tinkristalzaad en gecontroleerde groei. Door de timing en temperatuur van elke fase nauwkeurig af te stemmen, bereiken onderzoekers de optimale kristalgrootte en uniformiteit die nodig is voor een betrouwbare werking van de batterij.

Toekomstige ontwikkeling
Verdere vooruitgang hangt af van het selecteren van de beste koolstofmatrix, bindmiddelen en elektrolytformuleringen om elektroden te creëren die een hoge capaciteit combineren met een lange levensduur. Deze ontwikkelingen beloven kosteneffectieve, schaalbare materialen die een revolutie teweeg kunnen brengen in de energieopslag voor elektrische voertuigen en draagbare elektronica.