Ongeacht prestatie-, kosten- of veiligheidsoverwegingen zijn volledig solid-state oplaadbare batterijen de beste keuze om fossiele energie te vervangen en uiteindelijk de weg naar nieuwe energievoertuigen te realiseren.
Als uitvinder van kathodematerialen zoals LiCoO2, LiMn2O4 en LiFePO4 is Goodenough goed bekend op het gebied vanlithium-ion batterijenen is werkelijk de "vader van de lithium-ionbatterijen".
In een recent artikel in NatureElectronics bespreekt John B. Goodenough, die 96 jaar oud is, de geschiedenis van de uitvinding van de oplaadbare lithium-ionbatterij en toont hij de weg voorwaarts.
In de jaren zeventig brak in de Verenigde Staten een oliecrisis uit.De regering realiseerde zich dat ze te afhankelijk was van olie-import en begon grote inspanningen te leveren om zonne- en windenergie te ontwikkelen.Vanwege het intermitterende karakter van zonne- en windenergie,oplaadbare batterijenwaren uiteindelijk nodig om deze hernieuwbare en schone energiebronnen op te slaan.
De sleutel tot omkeerbaar laden en ontladen is de omkeerbaarheid van de chemische reactie!
Destijds gebruikten de meeste niet-oplaadbare batterijen lithium-negatieve elektroden en organische elektrolyten.Om tot oplaadbare batterijen te komen, begon iedereen te werken aan de omkeerbare inbedding van lithiumionen in gelaagde overgangsmetaalsulfidekathodes.Stanley Whittingham van ExxonMobil ontdekte dat omkeerbaar laden en ontladen kon worden bereikt door intercalatiechemie met gelaagd TiS2 als kathodemateriaal, waarbij het ontladingsproduct LiTiS2 was.
Deze cel, ontwikkeld door Whittingham in 1976, behaalde een goed aanvankelijk rendement.Na verschillende herhalingen van opladen en ontladen vormden zich echter lithiumdendrieten in de cel, die van de negatieve naar de positieve elektrode groeiden, waardoor een kortsluiting ontstond die de elektrolyt kon ontsteken.Deze poging eindigde wederom op een mislukking!
Ondertussen onderzocht Goodenough, die naar Oxford verhuisde, hoeveel lithium er hoogstens uit de gelaagde LiCoO2- en LiNiO2-kathodematerialen kon worden verwijderd voordat de structuur veranderde.Uiteindelijk slaagden ze erin om meer dan de helft van het lithium uit het kathodemateriaal omkeerbaar te verwijderen.
Dit onderzoek leidde er uiteindelijk toe dat Akira Yoshino van AsahiKasei de eerste voorbereiddeoplaadbare lithium-ionbatterij: LiCoO2 als de positieve elektrode en grafietkoolstof als de negatieve elektrode.Deze batterij werd met succes gebruikt in de eerste mobiele telefoons van Sony.
Om de kosten te verlagen en de veiligheid te verbeteren.De volledig vaste oplaadbare batterij met vaste stof als elektrolyt lijkt een belangrijke richting voor toekomstige ontwikkeling.
Al in de jaren zestig werkten Europese scheikundigen aan de omkeerbare inbedding van lithiumionen in gelaagde overgangsmetaalsulfidematerialen.Destijds waren de standaard elektrolyten voor oplaadbare batterijen voornamelijk sterk zure en alkalische waterige elektrolyten zoals H2SO4 of KOH.Omdat H+ in deze waterige elektrolyten een goede diffusiviteit heeft.
Destijds werden de meest stabiele oplaadbare batterijen gemaakt met gelaagd NiOOH als kathodemateriaal en een sterke alkalische waterige elektrolyt als elektrolyt.h+ zou reversibel kunnen worden ingebed in de gelaagde NiOOH-kathode om Ni(OH)2 te vormen.het probleem was dat de waterige elektrolyt de spanning van de batterij beperkte, wat resulteerde in een lage energiedichtheid.
In 1967 ontdekten Joseph Kummer en NeillWeber van Ford Motor Company dat Na+ goede diffusie-eigenschappen heeft in keramische elektrolyten boven 300°C.Vervolgens vonden ze een oplaadbare Na-S-batterij uit: gesmolten natrium als de negatieve elektrode en gesmolten zwavelhoudende koolstofbanden als de positieve elektrode.Als resultaat vonden ze een oplaadbare Na-S-batterij uit: gesmolten natrium als de negatieve elektrode, gesmolten zwavel met een koolstofband als de positieve elektrode en een vast keramiek als de elektrolyt.De bedrijfstemperatuur van 300°C maakte het echter onmogelijk om deze batterij op de markt te brengen.
In 1986 realiseerde Goodenough een volledig solid-state oplaadbare lithiumbatterij zonder dendrietgeneratie met behulp van NASICON.Momenteel zijn volledig oplaadbare lithium- en natriumbatterijen in vaste toestand op basis van vaste-stofelektrolyten zoals NASICON op de markt gebracht.
In 2015 demonstreerde MariaHelena Braga van de Universiteit van Porto ook een isolerende vaste elektrolyt van poreus oxide met een geleidbaarheid van lithium- en natriumionen die vergelijkbaar is met de organische elektrolyten die momenteel in lithium-ionbatterijen worden gebruikt.
Kortom, ongeacht prestatie-, kosten- of veiligheidsoverwegingen zijn volledig solid-state oplaadbare batterijen de beste keuze om fossiele energie te vervangen en uiteindelijk de weg naar nieuwe energievoertuigen te realiseren!
Posttijd: 25 augustus 2022