Onderzoekers aan het MIT ontwikkelden een Li-ion batterij die in enkele seconden kan worden opgeladen of ontladen. De nieuwe technologie zou al binnen 2 à 3 jaar op de markt te vinden zijn in kleinere, snel oplaadbare batterijen voor GSMs, laptops en elektrische wagens.

Oplaadbare Lithium-ion batterijen worden gebruikt in tal van draagbare consumer electronics en in elektrische of hybride wagens. Eén van hun voordelen is hun grote energiedichtheid. Byoungwoo Kang en Gerbrand Ceder van het MIT versnelden met een deklaag op de kathode de opbouw of afgifte van de energie, die opgeslagen wordt in de bulk van het batterijmateriaal. Ze slaagden er zo in een kleine batterij te maken die volledig kan opgeladen of ontladen worden in 10 tot 20 seconden, waar dit zonder de coating 6 minuten zou duren. Naast het gebruiksgemak van het snelle opladen, biedt de techniek door het snelle ontladen ook een oplossing voor het beperkte vermogen dat de huidige Li-ion batterijen kunnen afgeven.

Hoge bulk mobiliteit gekoppeld aan snelgeleidend oppervlak

Tot nu toe werd aangenomen dat de snelheid van laden of ontladen van een Li-ion batterij beperkt wordt door de snelheid waarmee de Li-ionen zich doorheen het batterijmateriaal voortbewegen. Computerberekeningen op een veelgebruikt kathodemateriaal (LiFePO4) wezen echter uit dat de ionen zich bijzonder snel door dit materiaal kunnen bewegen. Nader onderzoek maakte duidelijk dat dit enkel het geval is wanneer de ionen zich verplaatsen via tunnels die vanop het materiaaloppervlak toegankelijk zijn. Li-ionen die zich aan het oppervlak van de kathode recht voor zo’n tunnelingang bevinden, blijken vlot deze tunnels binnen te gaan. Maar een ion dat zich niet recht voor een tunnelingang bevindt, kan zich niet langsheen het oppervlak verplaatsen tot aan een ingang.

Om ook deze ionen de kans te geven de tunnels te bereiken, werd een lithium pyrofosfaat coating aangebracht op de LiFePO4-kathode. De onderzoekers vergeleken hun oplossing met een ringweg rond een stad (en doopten hun ontdekking de “beltway battery“): door de coating kunnen de Li-ionen zich nu met grote snelheid rondom de buitenkant van de kathode verplaatsen tot ze een tunnelingang bereiken waar ze onmiddellijk naar binnen worden geleid. Deze combinatie van een materiaal met hoge lithium bulk mobiliteit met een snel ion-geleidend oppervlak leidt tot een batterij die een grote energiedichtheid koppelt aan een ontlaadsnelheid die vergelijkbaar is met deze van supercaps.

GSMs, laptops, elektrische wagens, groene energie …

Aangezien het niet om een volledig nieuw batterijmateriaal gaat, enkel een nieuwe manier van fabricage van Li-ion batterijen, denken de onderzoekers met hun werk al binnen 2 of 3 jaar op de markt te kunnen doorbreken:

• In eerste instantie richt men zich op draagbare consumer electronics als GSMs en laptops. Een GSM zal volledig opgeladen kunnen worden binnen enkele seconden in plaats van enkele uren. Dit zou de hele manier veranderen waarop we met deze technologie omgaan: men kan gewoon blijven staan wachten terwijl het toestel wordt opgeladen. Door verbeterde prestaties worden de nieuwe batterijen ook kleiner en lichter.
• Bij elektrische wagens is de oplaadtijd steeds een pijnpunt geweest. Met deze nieuwe Li-ion technologie zal deze tijd aanzienlijk verkorten, en voortaan niet langer beperkt worden door de batterijen, maar door het vermogen dat de consument beschikbaar heeft uit het net. Daarnaast zal de wagen ook merkelijk beter presteren bij het accelereren, omdat de batterijen de opgeslagen energie veel sneller kunnen afgeven.
• De mogelijkheid voor snel laden en ontladen opent ten slotte ook de deur naar nieuwe technologische toepassingen, bijvoorbeeld om tijdelijke pieken in de energieproductie uit wind- en zonne-energie op te slaan.

Bronnen

•   Re-engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices, http://web.mit.edu
• Breakthrough battery can charge up in seconds, http://technology.timesonline.co.uk
• How it works: Powering up on the beltway, http://extras.timesonline.co.uk
• Ultra-High-Power Lithium-Ion Batteries: New materials from MIT could power laser weapons or give hybrid cars jackrabbit acceleration, Technology Review, www.technologyreview.com
• Stap mee in het collectieve onderzoek ‘Energie-opslag voor machines’

Dit artikel kwam tot stand met de steun van het IWT.

Contactpersoon : Sirris, Frank Van den Broek
E-mail frank.vandenbroek@sirris.be
Tel. +32 (0)16 32 25 91 Fax +32 (0)16 32 29 84

 Dit artikel is reeds verschenen op Agoria Online (members only) en Techniline, de portaalsite van de technologische innovatie van Sirris. Abonneer u op Techniline indien u alle artikels wenst te volgen.

Tweet

2