Innovatieve batterij-elektrode van tinschuim

Metaalgebaseerde elektroden in lithium-ionbatterijen beloven aanzienlijk hogere capaciteiten dan conventionele grafietelektroden. Helaas gaan ze achteruit door mechanische spanning tijdens laad- en ontlaadcycli. Een team van HZB heeft nu aangetoond dat een zeer poreus schuim van blik de mechanische spanning tijdens laadcycli veel beter kan absorberen. Dit maakt tinschuim interessant als potentieel materiaal voor lithium-ionbatterijen.

Moderne lithium-ionbatterijen gebruiken meestal een meerlaagse grafietelektrode, terwijl de tegenelektrode vaak van kobaltoxide is gemaakt. Tijdens het opladen en ontladen migreren lithiumionen in het grafiet zonder dat er noemenswaardige volumeveranderingen in het materiaal optreden. De capaciteit van grafiet is echter beperkt, waardoor de zoektocht naar alternatieve materialen een spannend onderzoeksgebied is. Elektroden op metaalbasis, zoals die van aluminium of tin, bieden mogelijk een hogere capaciteit. Wanneer lithium echter wordt geabsorbeerd, hebben ze de neiging om aanzienlijk in volume uit te zetten, wat gepaard gaat met structurele veranderingen en materiaalmoeheid.

Een optie om metalen elektroden te maken die minder snel vermoeien, is nanostructurering van de dunne metaalfolies. Een andere optie is het gebruik van poreuze metaalschuimen. Tin is als metaal bijzonder aantrekkelijk omdat het een capaciteit per kilogram heeft die bijna drie keer hoger ligt dan die van grafiet. Het is geen zeldzame grondstof, maar wel ruimschoots beschikbaar.

Een onderzoeksteam van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) heeft nu verschillende soorten tinelektroden tijdens het ontladings- en oplaadproces onderzocht met behulp van operando-röntgenbeeldvorming en een innovatieve aanpak ontwikkeld om dit probleem aan te pakken. Een deel van deze onderzoeken vond plaats op de BAM-lijn bij BESSY II. Daarnaast werden in samenwerking met de beeldvormingsexperts Dr. röntgenfoto's met hoge resolutie gemaakt. Nikolaj Kardjilov en Dr. André Hilger bij de HZB. “Op deze manier konden we de structurele veranderingen in de bestudeerde Sn-metaal-elektroden tijdens de oplaad-/ontlaadprocessen volgen”, aldus Dr. Bouchra Bouabadi, die het experimentele onderzoek uitvoerde. In samenwerking met batterij-expert Dr. Sebastian Risse laat zien hoe de morfologie van de tinelektroden tijdens het gebruik verandert als gevolg van de niet-homogene absorptie van lithiumionen.

De beste versie van de tinelektrode werd gemaakt door Dr. Francisco Garcia-Moreno: Een schuim van tin met talloze poriën ter grootte van een micrometer. “We konden aantonen dat in zo’n blikschuim aanzienlijk minder mechanische spanning optreedt tijdens volume-expansie”, aldus Dr. scheuren. Dit maakt tinschuim interessant als potentieel materiaal voor lithium-ionbatterijen.

Garcia-Moreno heeft al onderzoek gedaan naar talloze metaalschuimen, waaronder schuimen voor componenten in de auto-industrie en aluminiumschuimen voor batterij-elektroden. “De tinschuimen die we aan de TU Berlijn hebben ontwikkeld, zijn zeer poreus en een interessant alternatief voor traditionele elektrodematerialen”, zegt hij. De structurering van tinschuim is cruciaal om de mechanische spanningsvermindering te maximaliseren. Ook vanuit economisch oogpunt zou tinschuimtechnologie interessant kunnen zijn: "Tinschuim is weliswaar duurder dan conventionele tinfolie, maar biedt een kosteneffectiever alternatief voor dure nanostructurering. Tegelijkertijd kan het aanzienlijk meer lithiumionen opslaan, waardoor de capaciteit kan worden vergroot."