Het verborgen lithiumverlies in batterijen
Een onderzoeksteam van de Ruhr-Universität Bochum, het Helmholtz Instituut Ulm en het Karlsruher Institut für Technologie heeft een tot nu toe onderschat fenomeen in kaart gebracht: lithium-ionen raken opgesloten in de koperen stroomafnemer van batterijen. Dit verlies stapelt zich op bij iedere laadcyclus en beperkt zowel de prestaties als de levensduur. De bevindingen zijn bijzonder relevant voor de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen en anodevrije ontwerpen, die door de industrie worden gezien als de volgende grote stap naar hogere energiedichtheid.
De koperen stroomafnemer is een dunne koperfolie die fungeert als draaglaag voor de anode en elektronen verzamelt richting de minpool. Wat onderzoekers tot voor kort niet precies konden vaststellen, is waar het lithium zich precies nestelt in dit koper. Het element is licht en chemisch zeer actief, waardoor detectie lastig is met standaardanalysetechnieken.
Atomaire precisie onthult het mechanisme
De doorbraak kwam met atom probe tomografie, een techniek die driedimensionale elementkaarten maakt met subnanometer-resolutie. Het team rond Tong Li (Bochum) en Dominic Bresser (Ulm/Karlsruhe) kon hiermee aantonen dat lithium al na één enkele laad-ontlaadcyclus bindt aan korrelgrenzen en grensvlakken in de koperfolie.
Na drie cycli treedt een versnellend effect op: de oppervlaktelaag van het koper wordt nanokristallijn en oxideert. De ontstane defecten vangen vervolgens lithium en zuurstof op onder het oppervlak, wat leidt tot afbraak van de stroomafnemer zelf. Dit verklaart waarom het verlies toeneemt met het aantal cycli, ook in moderne batterijontwerpen.
Implicaties voor de volgende generatie accu's
De bevindingen werpen een schaduw op de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen (LMB's) en zogenoemde 'zero-excess' of anodevrije LMB's. Deze technologieën moeten de huidige lithium-ion-dominantie ver overstijgen qua energiedichtheid en worden intensief onderzocht door onder meer QuantumScape, Solid Power en de batterijdivisies van Volkswagen en BMW.
Bij anodevrije ontwerpen wordt doorgaans verondersteld dat lithium niet diffundeert in of reageert met de koperen stroomafnemer. Het Bochumse onderzoek toont aan dat deze aanname onjuist is. "In discussies over prestatieafname van LMB's is het lithiumverlies aan de koperen collector tot nu toe grotendeels over het hoofd gezien," stelt Tong Li. Voor de Nederlandse markt, waar de gemiddelde EV-rijder steeds vaker kiest voor modellen met grotere accupakketen en langere garantietermijnen op celniveau, is dit mechanisme relevant: het stelt de vraag of toekomstige generaties voldoende rekening houden met deze vorm van degradatie in hun levensduurclaims.
Van laboratorium naar productie
De industrie zal moeten zoeken naar materiaaloplossingen of beschermende lagen die lithiumdiffusie in koper tegengaan. Mogelijke richtingen zijn legeringen van koper met barrièreeigenschappen, of dunne interfacelagen die ionentransport selectief reguleren. De kosten van dergelijke aanpassingen wegen op tegen de potentiële winst in energiedichtheid: lithium-metaal biedt theoretisch een specifieke capaciteit van 3860 mAh/g, ruim boven de ~370 mAh/g van grafiet in huidige cellen.
Voor consumenten blijft de boodschap vooralsnog: de huidige generatie NCM- en LFP-cellen met grafietanodes is niet direct door dit onderzoek getroffen. Wel maakt het duidelijk dat de transitie naar 'post-lithium-ion'-technologieën complexer is dan sommige roadmap-projecties suggereren. De Nederlandse markt, met een aandeel van ruim 30 procent volledig elektrische nieuwverkopen in 2024, is afhankelijk van betrouwbare levensduurdata voor tweedehandswaardebepaling en leasecontracten.