Dit grote mysterie rond vastestofbatterijen is eindelijk ontrafeld

Vastestofbatterijen komen eraan. Nou ja, uiteindelijk. Er zijn nog een paar hardnekkige problemen. Een daarvan is dat de dingen kortsluiting blijven maken. Onderzoekers van MIT denken nu te weten hoe dat komt.

De batterij in je telefoon is een lithium-ionbatterij. Daarin zit een vloeibare stof (de elektrolyt) die geladen deeltjes heen en weer vervoert tussen twee polen. Die vloeistof is brandbaar, wat (heel) soms tot problemen leidt. Bij een vastestofbatterij vervang je die vloeistof door een hard, keramisch materiaal. Dat is op zich veiliger en je kunt lithiummetaal gebruiken als pool, waardoor zo’n batterij ook nog eens meer energie kan opslaan.

Een van de problemen met deze technologie is dat er in de praktijk tijdens het opladen kleine metalen scheurtjes ontstaan in dat keramiek, zogenaamde dendrieten. Die groeien dwars door de batterij heen en veroorzaken kortsluiting. De levensduur van vastestofbatterijen is daardoor voorlopig laag.

Lang dachten wetenschappers dat deze scheurtjes ontstaan door mechanische druk. De oplossing leek daarom ook simpel: maak het keramiek gewoon sterker. Maar dat werkte nooit goed genoeg en niemand begreep precies waarom.

Mechanische spanning verklaart het probleem niet

De MIT-onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om voor het eerst live te meten hoeveel spanning er rond zo'n groeiende scheur staat. Nu blijkt dat de spanning rondom zo’n dendriet net lager was naarmate die sneller groeide. Dat is het tegenovergestelde van wat je zou verwachten als het puur een mechanisch probleem was.

De echte boosdoener bleek een chemische reactie te zijn. De stroom die door het keramiek stroomt tijdens het opladen, veroorzaakt een concentratie van lithiumionen op de exacte locatie van de scheur. Dat tast het materiaal chemisch aan en maakt het broos. Onderzoeker Cole Fincher vergelijkt het in een persbericht zo: normaal is het keramiek ongeveer zo sterk als een kies, maar tijdens het opladen wordt het zo breekbaar als een lolly.

Het goede nieuws: nu onderzoekers weten dat het probleem chemisch is en niet alleen mechanisch, kunnen ze gerichter zoeken naar materialen die beter bestand zijn tegen die chemische aantasting. De zoektocht naar de perfecte vastestofbatterij is dus nog niet voorbij, maar er is nu weer een stap in de goede richting gezet.