Studie heeft een manier ontdekt om batterijen die we elke dag gebruiken veerkrachtiger, krachtiger en veiliger te maken.
Het is 2018 en ons dagelijks leven wordt aangedreven door allerlei gadgets die werken op elektriciteit of batterijen. Onze afhankelijkheid van apparaten op batterijen neemt enorm toe. Een batterij is een apparaat dat chemische energie opslaat die wordt omgezet in elektriciteit. Batterijen zijn als kleine chemische reactoren waarin een reactie plaatsvindt die energierijke elektronen produceert die door het externe apparaat stromen. Of het nu gaat om mobiele telefoons, laptops of zelfs elektrische voertuigen, batterijen – meestal lithium-ionbatterijen – vormen de belangrijkste energiebron voor deze technologieën. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, is er een voortdurende vraag naar compactere, krachtigere en veiligere oplaadbare batterijen.
Batterijen hebben een lange en roemrijke geschiedenis. De Amerikaanse wetenschapper Benjamin Franklin gebruikte de term 'batterij' voor het eerst in 1749 toen hij experimenten uitvoerde met elektriciteit met behulp van een set gekoppelde condensatoren. De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta vond de eerste batterij uit in 1800 toen hij schijven van koper (Cu) en zink (Zn) van elkaar gescheiden door een doek gedrenkt in zout water. De loodzuurbatterij, een van de meest duurzame en oudste oplaadbare batterijen, werd uitgevonden in 1859 en wordt zelfs vandaag de dag nog steeds gebruikt in veel apparaten, waaronder de verbrandingsmotor in voertuigen.
Batterijen hebben een lange weg afgelegd en zijn tegenwoordig verkrijgbaar in allerlei formaten, van enorme megawatt-batterijen – waarmee ze in theorie energie van zonne-energiecentrales kunnen opslaan en ministeden van stroom kunnen voorzien – tot kleine batterijen zoals die in elektronische horloges worden gebruikt. Geweldig, toch? In een primaire batterij is de reactie die de elektronenstroom produceert onomkeerbaar. Uiteindelijk raakt de batterij leeg of gaat kapot wanneer een van de reactanten is verbruikt. De meest voorkomende primaire batterij is de zink-koolstofbatterij. Deze primaire batterijen vormden een groot probleem en de enige manier om de afvoer ervan aan te pakken, was door een methode te vinden om ze te hergebruiken – oftewel door ze oplaadbaar te maken. Het vervangen van batterijen door nieuwe was uiteraard onpraktisch en naarmate de batterijen krachtiger en groter werden, werd het vrijwel onmogelijk, om nog maar te zwijgen van de hoge kosten, om ze te vervangen en af te voeren.
Nikkel-cadmiumbatterij (NiCd) was de eerste populaire oplaadbare batterij die een alkali als elektrolyt gebruikte. In 1989 werden nikkel-metaal-waterstofbatterijen (NiMH) ontwikkeld die een langere levensduur hadden dan NiCd-batterijen. Ze hadden echter enkele nadelen, vooral dat ze erg gevoelig waren voor overladen en oververhitting, vooral als ze bijvoorbeeld tot het maximale tarief werden opgeladen. Daarom moesten ze langzaam en voorzichtig worden opgeladen om schade te voorkomen en hadden ze langere tijd nodig om te worden opgeladen door eenvoudigere opladers.
Lithium-ionbatterijen (LIB's), uitgevonden in 1980, zijn tegenwoordig de meest gebruikte batterijen in consumentenelektronica . Lithium is een van de lichtste elementen en heeft een van de grootste elektrochemische potentialen, waardoor deze combinatie ideaal is voor de productie van batterijen. In LIB's bewegen lithiumionen tussen verschillende elektroden door een elektrolyt, die bestaat uit zout en organische oplosmiddelen (in de meeste traditionele LIB's). Theoretisch gezien is lithiummetaal het meest elektrisch positieve metaal met een zeer hoge capaciteit en is het de best mogelijke keuze voor batterijen. Tijdens het opladen van LIB's wordt het positief geladen lithiumion omgezet in lithiummetaal. Daarom zijn LIB's de meest populaire oplaadbare batterijen voor gebruik in allerlei draagbare apparaten vanwege hun lange levensduur en hoge capaciteit. Een belangrijk probleem is echter dat de elektrolyt gemakkelijk kan verdampen, wat kortsluiting in de batterij kan veroorzaken en brandgevaar kan opleveren. In de praktijk zijn lithium-ionbatterijen (LIB's) erg instabiel en inefficiënt, omdat de lithiumverdeling na verloop van tijd ongelijkmatig wordt. LIB's hebben bovendien lage laad- en ontlaadsnelheden en veiligheidsrisico's maken ze ongeschikt voor veel krachtige machines met een hoge capaciteit, zoals elektrische en hybride elektrische voertuigen. Het is slechts in zeer zeldzame gevallen bekend dat LIB's een goede capaciteit en capaciteitsbehoud vertonen.
Dus niet alles is perfect in de wereld van batterijen, aangezien in de afgelopen jaren veel batterijen als onveilig zijn gemarkeerd omdat ze vlam vatten, onbetrouwbaar en soms inefficiënt zijn. Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar batterijen die klein, veilig oplaadbaar, lichter, veerkrachtiger en tegelijkertijd krachtiger zullen zijn. Daarom is de focus verschoven naar vastestofelektrolyten als het potentiële alternatief. Dit als het doel houden veel opties zijn door wetenschappers geprobeerd, maar stabiliteit en schaalbaarheid waren een hindernis van de meeste onderzoeken. Polymeerelektrolyten hebben een groot potentieel getoond omdat ze niet alleen stabiel, maar ook flexibel en ook goedkoop zijn. Helaas is het belangrijkste probleem met dergelijke polymeerelektrolyten hun slechte geleidbaarheid en mechanische eigenschappen.
In een recent onderzoek, gepubliceerd in ACS Nano Letters , hebben onderzoekers aangetoond dat de veiligheid en zelfs vele andere eigenschappen van een batterij kunnen worden verbeterd door er nanodraden aan toe te voegen, waardoor de batterij superieur wordt. Dit onderzoeksteam van het College of Materials Science and Engineering van de Zhejiang University of Technology in China bouwde voort op eerder onderzoek waarbij ze magnesiumboraat-nanodraden maakten die goede mechanische eigenschappen en geleidbaarheid vertoonden. In de huidige studie onderzochten ze of dit ook zou gelden voor batterijen wanneer dergelijke nanodraden aan een vaste polymeerelektrolyt worden toegevoegd. De vaste polymeerelektrolyt werd gemengd met 5, 10, 15 en 20 gewichtsprocent magnesiumboraat-nanodraden. Het bleek dat de nanodraden de geleidbaarheid van de vaste polymeerelektrolyt verhoogden, waardoor de batterijen robuuster en veerkrachtiger werden in vergelijking met de batterijen zonder nanodraden. Deze toename in geleidbaarheid was te danken aan het toegenomen aantal ionen dat door de elektrolyt stroomde en zich met een veel hogere snelheid verplaatste. De gehele opstelling functioneerde als een batterij, maar dan met toegevoegde nanodraden. Dit toonde een hogere prestatie en een groter aantal laadcycli in vergelijking met normale batterijen. Er werd ook een belangrijke test uitgevoerd naar de ontvlambaarheid, waaruit bleek dat de batterij niet in brand vloog. De veelgebruikte draagbare apparaten van tegenwoordig, zoals mobiele telefoons en laptops, moeten worden uitgerust met maximale en zo compact mogelijke energieopslag. Dit verhoogt uiteraard het risico op een abrupte ontlading, maar dit is beheersbaar voor dergelijke apparaten vanwege het kleine formaat van de benodigde batterijen. Bij het ontwerpen en testen van batterijen voor grotere toepassingen worden veiligheid, duurzaamheid en vermogen echter steeds belangrijker.
***
Bron (nen)
Sheng O et al. 2018. Multifunctionele vastestofelektrolyten met Mg2B2O5-nanodraden, hoge ionische geleidbaarheid, uitstekende mechanische eigenschappen en vlamvertragende werking. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
***
