Lithium-ionbatterijen doorgelicht en uitgelegd

Lithium-ionbatterijen zetten overal in Europa de recyclagewereld op zijn kop. Maar hoe komt dat nu eigenlijk? Wat maakt dat ze zo een brandgevaar vormen? Denuo nodigde Dries De Sloovere, R&D Project Leader bij Imo-imomec, een samenwerking tussen imec en UHasselt, uit op het batterijencongres op 6 november 2023 om zijn academische kijk op dit type batterijen te geven. Hij werkt mee aan het DESINe project (Design & Synthesis of Inorganic Materials).

Eerst en vooral, zeg niet zomaar lithium-ionbatterij tegen een lithium-ionbatterij. Het is immers een verzamelnaam voor een familie aan batterijen waarvan de samenstelling kan variëren en bijgevolg ook de gevaren die ze met zich meebrengen in recyclageactiviteiten. Het basisconcept is wel steeds hetzelfde. Lithium-ionbatterijen bestaan uit een kathode en een anode, gescheiden door een separator. De separator is een dunne, poreuze plastic film doordrongen van vloeibaar (en ontvlambaar) elektrolyt. Deze moet verhinderen dat de kathode en anode contact maken, want contact tussen beide materialen zou voor een kortsluiting kunnen zorgen. 

De materialen die als kathode en anode worden gebruikt hebben doorheen de jaren een aantal evoluties ondergaan. Dat we überhaupt op zoek gegaan zijn naar een nieuw type batterij heeft te maken met de beperkte energiedensiteit van bijvoorbeeld loodzuur en nikkel-cadmiumbatterijen. Deze zoektocht heeft wetenschappers naar lithium geleid, en dat hoeft niet te verwonderen: het is het lichtste metaal met het laagste reductiepotentiaal. De keerzijde van de medaille is de extreem hoge reactiviteit. Het onderzoek spitste zich dus toe op het temmen daarvan.

Drie namen om hierbij te onthouden zijn Whittingham, Goodenough en Yoshino die voor hun inspanningen in dit domein gezamenlijk de Nobelprijs Chemie kregen in 2019. Te onthouden uit het werk van Whittingham is zijn werk aan de kathode. Die bestond uit titanium disulfide wat zich makkelijk in laagjes laat opbouwen voor snel opladen en terug ontladen. De anode uit lithium metaal gaf echter veiligheidsproblemen, omdat er zich dendrieten vormen die door de separator heen kunnen groeien. Een probleem dat met een grafietstructuur te verhelpen viel. De gelaagde structuur bouwde meer veiligheid in maar beperkte wel de opslagcapaciteit.

Ook Goodenough spitste zich toe op de kathode. Door kobaltoxide te gebruiken kon het elektrolyt makkelijk in en uit de kathode bewegen. Het voordeel? De stroom kon omhoog voor een hogere energiedensiteit (van 2V naar 4 V) en dus een betere energieopslag. Yoshino ging verder op dat pad maar experimenteerde met de anode door grafiet te vervangen door petroleumcoke. Een alternatief dat vooral de stabiliteit van batterijen ten goede kwam. 

Deze nieuwe lithium-ionbatterijen waren het verlossende antwoord op de verzuchting van de industrie naar een vermogensbron met een hoge energiedensiteit. Waar het dan misloopt? Als er binnenin een kortsluiting gebeurt, dan kan dat een spiraal van reacties veroorzaken, waarbij de warmte die vrijkomt steeds hoger oploopt. Wanneer de temperatuur uiteindelijk boven de 130 °C gaat, begint de seperator te smelten. Dan zijn alle elementen aanwezig (zuurstof, ontvlambare gassen en hitte) voor een catastrofale reactie. De batterijen kunnen dan spontaan ontbranden of in specifieke omstandigheden zelfs ontploffen. 

De snelheid waaraan dat gebeurt hangt af van hoe snel de warmte kan accumuleren. Veel heeft dan te maken met de oorzaak van die eerste kortsluiting.  Mogelijke kandidaten zijn ofwel de vorming van dendrieten (vaak door het gebruik van een slechte lader die de batterijen overbelast) of een inferieur gebouwde separator. Maar oorzaak nummer 1 is een mechanisch defect, bijvoorbeeld door de tanden van een shredder die door de batterij heen bijten. Als de batterij volledig wordt samengedrukt, volgt er een enorme ontlading waarbij veel energie vrijkomt. En dan kan het snel gaan.

Volgens De Sloovere zijn lithium-ion batterijen in se niet gevaarlijker dan andere, tenzij ze lithium-metaal bevatten, maar dat is stilaan voorbijgestreefd. Wel moeten de batterijen van morgen meer doen om de kettingreactie die ontstaat tegen te gaan.