Ultradunne laag maakt grote verbetering batterijen mogelijk

26 januari 2022

De prestaties en levensduur van lithium-ion batterijen kunnen worden verbeterd dankzij het toevoegen van een beschermlaagje op de elektrodes van enkele atoomlagen dik.

Norah Hornsveld: "Een kleine verandering - ultradun in dit geval - kan een grote verbetering zijn.”

Een elektrische auto met een grote actieradius, een mobiele telefoon die je maar eens per week hoeft te laden. We gebruiken niet alleen steeds meer batterijen, maar willen ook dat ze compact zijn, veel energie kunnen opslaan en snel opladen. Natuurkundige Norah Hornsveld werkte aan het begrip en optimaliseren van nanometer dunne filmlagen die de oplaadbare lithium-ion batterij kunnen verbeteren.

Kijk naar de toenemende aantallen elektrische auto’s, maar ook e-bikes op de weg: we willen meer elektrisch rijden. Ook stellen we steeds meer eisen aan onze draagbare elektrische apparatuur. Batterijen spelen zodoende een belangrijke rol in de overstap naar een duurzame wereld en daarom richt veel onderzoek zich op batterijen die beter presteren, veiliger, lichter en goedkoper zijn.

Problemen

Conventionele oplaadbare lithium-ion (Li-ion) batterijen bestaan uit twee metalen contacten (de plus- en min-pool) met daartussen twee elektroden en een vloeibare zoutoplossing (elektrolyt) in het midden. Daarin kunnen lithium-ionen tussen de twee elektroden heen en weer stromen, legt promovenda Norah Hornsveld uit.

“De Li-ion batterijen hebben een relatief hoge energie- en vermogensdichtheid, maar gezien de grote maatschappelijke vraag is dat voor veel toepassingen nog niet hoog genoeg. Een ander probleem is de veiligheid. De elektrolyt-vloeistof is brandbaar en kan onder bepaalde omstandigheden zelfs ontploffen.”

Volgens Hornsveld ontstaan de meeste problemen op het grensvlak van de elektrode en het vloeibare elektrolyt. Wanneer een batterij voor het eerst oplaadt, ontstaat daar een tussenfase door de chemische reacties. Die kan heel dik en poreus worden en actieve Li-ionen consumeren. Dat is niet goed voor de prestatie en levensduur van de batterij.

Een voorbeeld van de dunne laagjes die Hornsveld wist te maken met ALD. Dit beeld komt van een Scanning Electron Microscope (SEM).

Enkele atoomlagen dik

Daarom deed Hornsveld onderzoek naar het maken van nanometer dunne lagen die je op dat grensvlak kunt aanbrengen om zo de elektrode te beschermen. “Het is belangrijk dat deze lagen heel dun zijn, zodat ze niet voor extra weerstand zorgen in de batterij, maar ook uniform zodat ze de elektroden goed kunnen beschermen”, zegt Hornsveld.

Hornsveld gebruikte Atomic Layer Deposition (ALD) om haar dunne films te maken. “Door gebruik te maken van gassen en plasma kunnen we in een reactor een film van één of meerdere atoomlagen laten groeien. Vanwege het zelflimiterende karakter van ALD lukt dat heel gecontroleerd, overal even dik en met een superkwaliteit, zag ik in verschillende studies.”

Dit is met name interessant om een uniforme laag aan te brengen op elektroden met een meer geadvanceerde oppervlaktetopologie. “Ik heb gekeken hoe je de eigenschappen van de ultra-dunne films kunt beïnvloeden door de ALD-procesparameters te veranderen.”

“We hebben films van verschillende materialen kunnen maken, met variabele eigenschappen zoals compositie, laagdikte en kristalliniteit. Dat is belangrijk om de film te kunnen aanpassen aan specifieke elektrodematerialen.”

Vastestofbatterij

Met de ontwikkelde processen hoopt Hornsveld meer inzicht te geven in de mogelijkheden om het batterij-grensvlak te verbeteren en de elektroden een beschermlaag te geven. Hoewel haar onderzoek fundamenteel is, verwacht ze dat bepaalde processen zeker grootschalig toegepast kunnen worden. “Zelfs een kleine verandering - ultradun in dit geval - kan een grote verbetering zijn.”

Ook denkt ze dat haar werk van bijdraagt in de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie, zoals de ‘vastestofbatterij’. In deze batterij is het elektrolyt een vast materiaal in plaats van een vloeistof, waardoor minder problemen optreden op het grensvlak van elektrode en elektrolyt. De vastestofbatterij is daarom veiliger en heeft bovendien een hogere energiedichtheid.

“Uit mijn onderzoek komt naar voren dat plasma-ALD processen ook erg interessant kunnen zijn voor het maken van batterijmaterialen, omdat deze meer vrijheid bieden in procesparameters om zo de eigenschappen van de lagen aan te kunnen passen. Daarnaast kunnen ze ook gebruikt worden om op 3D-structuren een uniforme dunne laag aan te brengen”, aldus Hornsveld.

Norah Hornsveld verdedigt haar proefschrift getiteld Atomic layer deposition for Li-ion batteries: Novel chemistries, surface reactions and film properties op woensdag 26 januari. Ze werd begeleid door prof.dr. Adriana Creatore en prof.dr.ir. Erwin Kessels.