Siliciumrijke batterij doorstaat meer dan duizend laadcycli

Onderzoekers van Fraunhofer ISE hebben lithium-ionbatterijcellen met siliciumrijke anodes meer dan 1.000 volledige laad- en ontlaadcycli laten doorlopen. Na afloop behielden de cellen ruim 83 procent van hun oorspronkelijke capaciteit. De resultaten laten zien dat een belangrijke hindernis voor batterijen met een hoge energiedichtheid kan worden aangepakt: de beperkte levensduur van siliciumrijke anodes.

Silicium kan in theorie ongeveer tien keer zoveel lithium opnemen als grafiet, het anodemateriaal dat in veel lithium-ionbatterijen wordt gebruikt. Daardoor biedt het mogelijkheden om de energiedichtheid van batterijen te verhogen. De praktische toepassing wordt echter bemoeilijkt doordat silicium tijdens het laden en ontladen sterk uitzet en weer krimpt. Die volumeveranderingen kunnen de materiaalstructuur aantasten en de capaciteit tijdens herhaald gebruik laten afnemen.

Binnen het onderzoeksproject StrOboBatt werken onderzoekers van het Duitse Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE aan silicium-koolstofcomposieten en verbeterde elektrodematerialen. In zelf vervaardigde batterijcellen hebben zij inmiddels meer dan 1.000 volledige cycli bereikt, met na afloop nog ruim 83 procent van de oorspronkelijke capaciteit.

Pouchcellen met een capaciteit van 25 Ah

Voor de tests produceerde Fraunhofer ISE meerlaagse pouchcellen met een capaciteit van 25 Ah. De cellen bevatten veertig lagen en zijn opgebouwd uit commercieel verkrijgbare elektrodefolies. De anode bestaat uit een silicium-koolstofcomposiet in combinatie met grafiet; aan de kathodezijde wordt een nikkelrijk nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC) gebruikt.

Het silicium-koolstofcomposiet vormt 51 procent van het actieve materiaal in de anode. De anodes bereiken een specifieke capaciteit van meer dan 1.000 mAh/g en een oppervlaktecapaciteit van meer dan 5 mAh/cm².

De cellen zijn vervaardigd op een semiautomatische productielijn in de cleanroom van het onderzoekscentrum voor elektrische energieopslag van Fraunhofer ISE. Daarmee gaat het niet uitsluitend om kleine laboratoriummonsters van een nieuw materiaal, maar om meerlaagse cellen in een gangbaar pouchformaat.

Energiedichtheid van 280 Wh/kg

Na meer dan 1.000 volledige laad- en ontlaadcycli behielden de cellen ruim 83 procent van hun oorspronkelijke capaciteit. De gemeten gravimetrische energiedichtheid bedroeg 280 Wh/kg, op celniveau en in een nog niet geoptimaliseerd onderzoeksformaat.

Volgens Fraunhofer ISE zou een industrieel geoptimaliseerde pouchcel een energiedichtheid van ongeveer 330 Wh/kg kunnen bereiken. Dat is een verwachting voor een volgende ontwikkelstap, geen reeds gemeten resultaat van de geteste cellen.

De combinatie van energiedichtheid en levensduur is relevant voor toepassingen waarin een hoge energie-inhoud per kilogram belangrijk is. Denk aan elektrische mobiliteit, luchtvaart en stationaire energieopslag. Of de technologie in deze toepassingen economisch en technisch haalbaar is, hangt ook af van onder meer productiekosten, veiligheid, laadvermogen en prestaties gedurende de volledige levensduur.

Mechanische druk beïnvloedt de prestaties

Naast de capaciteit en levensduur onderzochten de wetenschappers hoe de mechanische druk op de pouchcellen hun werking beïnvloedt. Die druk blijkt een belangrijke parameter voor de stabiele werking van siliciumrijke cellen.

Bij een lagere aandrukkracht van 300 kPa nam de bruikbare capaciteit tijdens gebruik bij een laad- en ontlaadsnelheid van 1C duidelijk sterker af naarmate de veroudering vorderde. Dat wijst erop dat niet alleen de chemische samenstelling, maar ook de mechanische omstandigheden in de celconstructie bepalend zijn voor de prestaties.

De onderzoekers zagen bovendien een toenemend verschil tussen de restcapaciteit die bij een lage ontlaadsnelheid werd gemeten en de capaciteit die beschikbaar was bij regulier gebruik op 1C. Een meting bij lage stroomsterkte geeft dus niet noodzakelijk een volledig beeld van de energie die een verouderde cel onder praktischere omstandigheden nog kan leveren.

Voor het ontwerpen van batterijcellen betekent dit dat zowel de materiaalkeuze als de mechanische constructie en de testcondities moeten worden geoptimaliseerd.

Van materiaalontwikkeling naar productie

Een belangrijk onderdeel van StrOboBatt is dat Fraunhofer ISE de volledige ontwikkelketen kan onderzoeken: van de vervaardiging van actieve materialen en elektroden tot de assemblage en elektrochemische karakterisering van pouchcellen. De faciliteiten omvatten onder meer het mengen van materialen, rol-tot-rolcoating, celassemblage en het formeren en testen van cellen.

Het project richt zich daarnaast op de verbetering van kathodematerialen, het verminderen van het gebruik van kritieke grondstoffen en het verlagen van productiekosten. Ook worden watergebaseerde processen voor de vervaardiging van kathoden onderzocht.

StrOboBatt loopt van juni 2024 tot en met mei 2027 en wordt ondersteund door het Duitse ministerie van Economische Zaken en Klimaatbescherming. Het project moet bijdragen aan batterijtechnologie met een hogere energiedichtheid en een betere materiaal- en productie-efficiëntie.

De behaalde resultaten vormen een stap richting toepassing van siliciumrijke anodes in hoogenergetische lithium-ionbatterijen. Verdere optimalisatie en tests onder representatieve gebruiksomstandigheden moeten uitwijzen in hoeverre de combinatie van hoge energiedichtheid, lange levensduur en industriële produceerbaarheid kan worden gerealiseerd.