Zelfverwarmende Li-Ion-batterijen laden snel op, zelfs bij –42°C, bieden 4.500 cycli en een levensduur van 12 jaar

• Nieuwe zelfverwarmende batterijen kunnen in 15 minuten worden opgeladen bij temperaturen tot -42 °C. 
• Hij is bestand tegen 4500 oplaadcycli met slechts 20% capaciteitsverlies. 
• Dit komt overeen met een batterijlevensduur van 12 jaar of 450.000 kilometer aan levensduur van een elektrisch voertuig.

Er is een spannende race gaande tussen grote autofabrikanten om het vermogen en het aantal snellaadstations te vergroten. In 2017 vormden Daimler, Volkswagen, Ford en BMW een joint venture om tegen eind 2020 in heel Europa 400 ‘ultrasnelle’ laadstations te bouwen. Ondertussen is Honda van plan om tegen 2022 elektrische voertuigen te lanceren met een snellaadmogelijkheid van 15 minuten.

In mei 2018 kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie een financiering van $19 miljoen aan ter ondersteuning van geavanceerd batterij- en elektrificatieonderzoek om het laadvermogen verder op te voeren tot 400 kW.

De bestaande elektrische voertuigen zijn niet bestand tegen snel opladen in extreem koude omstandigheden, omdat dit het risico op lithiumplating vergroot:de vorming van metallisch lithium rond de anode tijdens het opladen, waardoor de accu's na verloop van tijd defect kunnen raken.

Traditionele lithiumbatterijen kunnen niet snel worden opgeladen onder de 10°C. Het opladen van deze batterijen onder het vriespunt zou resulteren in een permanent capaciteitsverlies en een verhoogde interne weerstand.

Nu hebben onderzoekers van de Pennsylvania State University een batterij ontwikkeld die zichzelf kan verwarmen, waardoor snel opladen zonder lithiumplating mogelijk is, ongeacht de buitentemperatuur.

Met deze batterijen kunnen elektrische voertuigen in 15 minuten worden opgeladen, wat bijna overeenkomt met het tanken van benzine. Dit zou een enorme opluchting kunnen zijn voor mensen die in koude staten leven. Aangezien laadstations breed worden geïnstalleerd, kunnen eigenaren hun zorgen over de actieradius van hun voertuig kwijtraken en zonder zorgen langere afstanden afleggen.

Eerder bouwden wetenschappers een batterijsysteem waarbij het stroomverbruik niet optreedt bij temperaturen onder het vriespunt als gevolg van zelfopwarming. Nu is dezelfde techniek toegepast om de batterijen snel op te laden (in 15 minuten) onder alle weersomstandigheden, inclusief temperaturen tot -42°C.

Hoe het werkt?

De nieuw ontworpen batterij heeft een dunne nikkelfolie waarvan het ene uiteinde naar de negatieve pool van de cel gaat, terwijl het andere uiteinde naar buiten reikt, waardoor een derde terminal ontstaat. Om het circuit compleet te maken, is er een schakelaar bevestigd aan een temperatuursensor die ervoor zorgt dat elektronen via nikkelfolie kunnen stromen als de temperatuur lager is dan 20°C.

De stroom elektronen veroorzaakt weerstandsverwarming in de nikkelfolie, waardoor uiteindelijk de interne temperatuur van de batterij stijgt. Zodra de temperatuur stijgt (boven de 20°C), gaat de schakelaar open, waardoor de elektrische stroom in de accu kan stromen voor snel opladen.

Zelfverwarmende batterij | tegoed:Chao-Yang Wang / Penn State

Referentie:PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Penn State

De batterij doet al dit werk zelf; er is geen menselijke tussenkomst nodig. Bovendien hoeven de bestaande laadpalen niet aangepast te worden. Het schakelen tussen verwarmen en opladen gebeurt in de cel, niet in de opladers.

Testen

De resultaten van prototypetests waren meer dan indrukwekkend. Onderzoekers ontdekten dat de batterij een opmerkelijke levensduur heeft die overeenkomt met ruim 12 jaar of 450.000 kilometer aan levensduur van een elektrisch voertuig. Concreet zou de batterij 4.500 snellaadcycli (15 minuten) kunnen doorstaan met slechts 20% capaciteitsverlies bij 0°C.

Een traditionele batterij daarentegen kan bij temperaturen onder het vriespunt 20% capaciteit verliezen in slechts 50 laadcycli. Dit gebeurt omdat metallisch lithium (overmatig) zich afzet op het oppervlak van de anode, in plaats van dat lithiumionen efficiënt samensmelten met de koolstofanodes. Op dit moment is langzaam opladen de enige manier om dit onder de 10°C te voorkomen.

Lezen:Nieuwe aluminium-grafeenbatterij kan in 5 seconden worden opgeladen

Volgens de onderzoekers biedt hun nieuwe methode een manier om de ladingskinetiek te ontkoppelen van de ontlading in de batterijwetenschap en het opladen te verbeteren zonder dat er nieuw materiaal of chemie nodig is. Bovendien biedt het een platform om geavanceerdere batterijmaterialen te bouwen zonder zorgen over de temperatuur.

Aan de toepassingskant zal de techniek autofabrikanten helpen kleinere en lichtere batterijen te gebruiken. Het maakt ook een breed scala aan elektronica en apparaten mogelijk, zoals buitenrobots, smartphones voor alle weersomstandigheden, drones en microsatellieten die op grote hoogte werken.