Wetenschappers hebben mogelijk een verklaring voor waarom sommige batterijen niet lang meegaan

Oplaadbare lithium-ion batterijen gaan niet voor eeuwig mee. Na verloop van tijd houden ze minder lading vast en veranderen uiteindelijk van energiebronnen in bakstenen. Nieuw onderzoek suggereert dat een van de redenen hiervoor verborgen, lekkere waterstof is. Ongewenste waterstofprotonen vullen moleculaire sleuven in het positieve uiteinde van de batterij, waardoor er minder ruimte overblijft voor geladen lithiumatomen of ionen, die de reactiviteit behouden en helpen bij het geleiden van de lading, melden wetenschappers op 12 september in Science. 

Het nieuwe onderzoek identificeert een reeks ongewenste chemische reacties die plaatsvinden wanneer de elektrolyt van de batterij, die geacht wordt lithiumionen te transporteren, per ongeluk waterstof in het positieve uiteinde, of kathode, vrijgeeft. Dit "veroorzaakt allerlei problemen" en vermindert de capaciteit en levensduur van de batterij, zegt Gang Wan, een materiaalfysicus en chemicus aan de Stanford University. 

"Zelfs als je de batterij niet gebruikt, verliest hij energie." In een lithium-ion batterij (geïllustreerd hieronder) slaan twee elektroden van tegenovergestelde ladingen, een anode en een kathode, lithiumionen op. De ionen bewegen van de anode naar de kathode in een elektrolyt, wat chemische reacties creëert die vrije elektronen vrijgeven om een lading op te bouwen. 

De elektrolyt zou alleen lithiumionen moeten verplaatsen, maar waterstofprotonen en elektronen breken af van moleculen in de elektrolyt en lekken in de buitenste lagen van de kathode, waardoor een reeks ongewenste reacties ontstaat die de levensduur van de batterij verminderen. Eerdere verklaringen van energieverlies in batterijen richtten zich op de beweging van lithiumionen. 

Sommige onderzoekers hebben geopperd dat waterstofatomen ook een rol zouden kunnen spelen, maar het was moeilijk waarneembaar omdat waterstof zo klein en alomtegenwoordig is. Dus wisselden Wan en zijn collega's de waterstof in de elektrolyt van celgroottebatterijen in voor deuterium, een zwaardere variant van waterstof. 

De onderzoekers volgden vervolgens de beweging van deuterium met hoogwaardige röntgenbeelden en massaspectrometrie. Met behulp van de resultaten en theoretische berekeningen toonde het team aan dat waterstof de "dominante" speler is bij verlies van positieve uiteinde. Het onderzoek verbetert onze kennis van de ondoorzichtige chemie die zich binnenin batterijen afspeelt, wat "echt belangrijk" is, zegt Bart Bartlett, een materiaal- en anorganisch chemicus aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor die niet bij de studie betrokken was. 

Het wijst op mogelijke paden voor verbeterde levensduur van de batterij, zoals het aanpassen van de batterijchemie om waterstofreacties te vermijden. Bovendien benadrukt het werk een onbesproken probleem in de voortdurende drang naar steeds hogere spanningsbatterijen, omdat ingenieurs proberen meer energie in kleinere cellen te houden. Hogespanningskathodes zijn reactiever en trekken waarschijnlijk meer waterstof aan, dus hoe hoger de batterijspanning, hoe meer dit "protonatie" of "waterstofatie" plaatsvindt. "Het is een afweging waarvan ik denk dat we niet volledig waardeerden dat we die aan het maken waren, of niet begrepen waarom," zegt Bartlett. Maar, zegt hij, de wetenschappers hebben slechts één soort batterij en scenario beoordeeld. Meer onderzoek is nodig om te begrijpen hoe breed de bevindingen van toepassing zijn. 

Als de observaties van het team herhaalbaar blijken te zijn, zullen ze hoogstwaarschijnlijk leiden tot betere, duurzamere batterijen die innovaties zoals elektrische voertuigen met een groter bereik versnellen, zegt Jacqueline Edge, een batterijonderzoeker en ingenieur aan de Imperial College London. Tegelijkertijd zouden verbeteringen in batterijduur onze behoefte aan het delven van mineralen die in batterijcellen terechtkomen, zoals kobalt en natuurlijk lithium, minimaliseren, wat negatieve milieu- en sociale gevolgen met zich meebrengt. Het zou een tweeledige duurzaamheidsoverwinning zijn, zegt ze.