Zelf-verhittende Li-ion batterijen laden snel zelfs bij –42°C, met 4.500 cycli en 12-jarige levensduur

Nieuwe zelf-verhittende batterijen kunnen in 15 minuten laden bij temperaturen tot -42°C. Ze kunnen 4.500 laadcycli weerstaan met slechts 20% capaciteitsverlies. Dit is equivalent aan 12 jaar batterijlevenscyclus of 280.000 mijl elektrische voertuig-levensduur.

De race naar snelladen

Er gaait een spannende race onder grote automakers om het vermogen en aantal snellaadstations te verhogen. In 2017 vormden Daimler, Volkswagen, Ford en BMW een joint venture om 400 'ultrafast' laadstations in Europa te bouwen voor eind 2020. Ondertussen plant Honda elektrisch voertuigen met 15-minuten snellaadcapaciteit te lanceren, tegen 2022.

In mei 2018 kondigde het Amerikaanse Departement van Energie $19 miljoen financiering aan om geavanceerde batterij- en elektrificatie-ondersteuning te ondersteunen om de laadvermogen verder te verhogen tot 400 kW.

Bestaande elektrische voertuigen kunnen geen snelladen in extreme kou condities aan omdat het het risico op lithiumplating verhoogt – vorming van metallisch lithium rond de anode tijdens laden, wat batterijen op de lange termijn doet malfunctioneren.

Traditionele lithiumbatterijen kunnen niet snel worden geladen onder 10°C. Laden onder vriespunt leidt tot permanent capaciteitsverlies en verhoogde interne weerstand.

Nu hebben onderzoekers van Pennsylvania State Universiteit een batterij ontwikkeld die zichzelf kan verwarmen, wat lithiumplating-vrij snelladen mogelijk maakt ongeacht de buitentemperatuur.

Deze batterijen kunnen een elektrisch voertuig in 15 minuten opladen – bijna equivalent aan benzine tanken. Dit kan een enorme verlichting zijn voor mensen in koude staten. Aannemend dat laadstations breed geïnstalleerd zijn, kunnen eigenaren hun angst voor bereik verliezen en langere afstanden afleggen zonder zorgen.

Eerder bouwden wetenschappers een batterijsysteem waarin stroomverlies niet optreedt onder vries temperaturen door zelf-verhitting. Nu is dezelfde techniek toegepast om batterijen snel te laden (in 15 minuten) in alle weersomstandigheden, inclusief temperaturen tot -42°C.

Hoe het werkt

De nieuw ontworpen batterij heeft een dun nikkel folie wiens ene uiteinde naar de negatieve pool van de cel gaat, terwijl de andere zich naar buiten uitstrekt, wat een derde pool creëert. Om de circuit te sluiten, zit er een schakelaar gekoppeld aan een temperatuursensor die elektronen via de nikkel folie laat stromen wanneer de temperatuur onder 20°C is.

De stroom van elektronen produceert weerstandsverhitting in de nikkel folie, wat uiteindelijk de interne temperatuur van de batterij verhoogt. Zodra de temperatuur stijgt (boven 20°C), opent de schakelaar, waardoor de elektrische stroom in de batterij kan vloeien voor snelladen.

De batterij doet al dit werk zelf; geen menselijke interventie is vereist. Bovendien hoeven bestaande laadstations niet aangepast te worden. Schakelen tussen verhitten en laden gebeurt binnen de cel, niet de laders.

Testen

De resultaten van prototypetesten waren meer dan indrukwekkend. Onderzoekers vonden dat de batterij een opmerkelijke cyclusleven had equivalent aan meer dan 12 jaar of 280.000 mijl elektrisch voertuig-leven. Specifiek kon de batterij 4.500 cycli van snelladen (15 minuten) weerstaan met slechts 20% capaciteitsverlies bij 0°C.

Een traditionele batterij zou daarentegen 20% capaciteit verliezen in slechts 50 laadcycli onder vries temperaturen. Dit gebeurt omdat metallisch lithium (in overmaat) op het oppervlak van de anode neerslaat, in plaats van dat lithium-ionen efficiënt samensmelten met de koolstof-anoden. Op dit moment is langzaam laden de enigste manier om dit onder 10°C te voorkomen.

Volgens de onderzoekers biedt hun nieuwe methode een manier om laadkinetica van ontlading in batterijwetenschap te ontkoppelen en laden te verbeteren zonder nieuw materiaal of chemie te vereisen. Bovendien biedt het een platform om geavanceerdere batterijmaterialen te bouwen zonder temperatuurbedenking.

Op toepassingsgebied zal de techniek automakers helpen kleinere en lichtere batterijen te gebruiken. Het maakt ook een breed scala aan elektronica en apparaten mogelijk zoals outdoor robots, all-weather smartphones, drones en microsatellieten die op grote hoogtes opereren.