Nanogestructureerde Li-ion batterijen

Dr.ir. Marnix Wagemaker M.Wagenmaker@remove-this.TUDelft.nl
+31 15 2783800

Vanwege de grote energie dichtheid (zowel volumetrisch als gravimetrisch) worden Li-ion batterijen in toenemende mate toegepast. Huidig onderzoek concentreert zich op het ontwikkelen en ontdekken van nieuwe materialen met nog betere prestaties. Een ultime doel voor de toekomst is de elektrische auto waarbij de energie opslag geheel in de vorm van batterijen plaats vindt, dit als alternatief voor een waterstof gedreven voertuig. Om dat doel te bereiken moet zowel de energiedichtheid als de stroomdichtheid significant verbeteren. De stroomdichtheid bepaald de oplaadtijd en het maximale vermogen wat een batterij kan leveren (met name voor het accellereren van een auto is een hoog piek vermogen nodig), en wordt met name bepaald door de Li-ion diffusie door de elektrode materialen.

: Energiedichtheid en vermogensdichtheid van diverse energie opslag media, de tijden geven een indruk van de typische duur van laden en ontladen. De figuur illustreert de superieure energiedichtheid van Li-ion batterijen, maar ook de beperkte vermogens- (of stroom-) dichtheid.

Een recentelijke strategie om hogere stroomdichtheden te bereiken is het nano-structureren (heel klein maken) van de elektrode materiaal deeltjes, waardoor de Li-ion diffusie door het elektrode materiaal zoveel mogelijk beperkt wordt. Om die reden concentreert het TU Delft onderzoek zich onderandere op de gevolgen van nano-structureren van Li-ion materialen, maar ook op andere materiaal eigenschappen die de Li-ion diffusie bepalen. Naast de stroomdichtheid en de energiedichtheid is ook de levensduur van essentieel belang, met name het aantal keren dat een batterij op- en ontladen kan worden. Dit wordt wordt voornamelijk bepaald door structurele veranderingen van de elektrode materialen (waardoor deze vaak kapot gaan) en door reacties aan het elektrode-elektroliet oppervlak, ook twee onderwerpen die binnen de TU Delft worden onderzocht om zo tot betere oplossingen te komen.

Nano-structureren
Nano-structureren van elektrode materialen leidt tot een groter elektrode-elektroliet oppervlak en daardoor in princiepe tot grotere stroomdichtheden. Echter het kleiner maken van de kristallijnen elektrode materiaal deeltjes verandert ook de eigenschappen van het materiaal (en daarmee de eigenschappen van de batterij), wat nog maar gedeeltelijk wordt begrepen. Op de TU Delft wordt fundamenteel onderzoek gedaan naar de eigenschappen van nano-gestructureerde materialen voor Li-ion batterijen. Het onderzoek richt zich zowel op de materiaal structuur, de elektronische structuur en de Li-ion dynamica.

: Dit recentelijke fase diagram voor LixTiO2 versus the deeltjes grootte, bepaald met neutronen diffractie, illustreert de invloed op de fase compositie, hetgeen van fundamenteel belang is voor de prestaties van een Li-ion batterij.

Li-ion dynamica
Aangezien de Li-ion dynamica de stroomdichtheid van een batterij bepaald, is het essentieel om te begrijpen welke factoren de ion-dynamic beïnvloeden. Factoren die van belang zijn ondermeer de (elektronische) structuur van de elektrodematerialen, en de oppervlakte eigenschappen van de elektrode-elektroliet grenslaag. Het doel van het onderzoek aan de TU Delft is om de opgedane kennis te gebruiken voor het ontwerpen van nieuwe en betere materialen en elektrodemorphologieën.

: Resultaten van een Nuclear Magnetic Resonance (NMR) experiment dat mogelijk maakt diverse facetten van de ionische geleiding onder de loep te nemen. Zo kan op unieke wijze worden bepaald wat de snelheids bepalende stap is voor het (ont)laden van een batterij, essentieel om te weten om toekomstige batterijen beter te maken.

Berekeningen Het doel van berekeningen op atomaire schaal is in eerste instantie om batterij materiaal eigenschappen correct the voorspellen. De volgende stap is het ontwerpen van nieuwe materialen, op basis van begrip, en deze te testen met berekeningen. Daarmee kan de tijdrovende synthese procedure toegespitst worden op alleen kansrijke nieuwe materialen. Daarbij leiden berekeningen vaak tot beter begrip van de relevante processen die plaatsvinden in een batterij. De berekeningen aan de TU Delft worden uitgevoerd met behulp van DFT en Monte-Carlo methoden.

: Links: atomair model voor een Li-ion batterij materiaal (spinel LiTi₂O₄). Rechts: uit berekeningen resulterende electronen structuur.