Nieuwe lithiumbatterij bereikt een dichtheid van meer dan 700 Wh/kg en werkt bij -50 °C

Een onderzoeksteam in China heeft een nieuwe fluorkoolwaterstofelektrolyt ontwikkeld die de huidige prestatiegrenzen van batterijen aan diggelen slaat. Het onderzoek, dat gepubliceerd is in het tijdschrift Nature, onthult een oplosmiddel dat een energiedichtheid kan leveren van meer dan 700 Wh/kg bij kamertemperatuur en ongeveer 400 Wh/kg bij -50 °C (122 °F). Dit is beduidend beter dan conventionele accu's voor elektrische voertuigen, die onder normale omstandigheden een piek van ongeveer 270 Wh/kg bereiken, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor de ruimtevaart, netopslag en elektrisch vervoer in extreme klimaten.

In het verleden vertrouwden accu-elektrolyten op liganden op basis van zuurstof en stikstof om ladingen tussen de kathode en de anode te transporteren. Deze traditionele materialen zorgen echter voor een sterke binding die de ladingsoverdracht op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt frustreert, waardoor de prestaties tijdens gebruik bij lage temperaturen of snel opladen ernstig beperkt worden. Om dit te verhelpen, synthetiseerden de onderzoekers zes monofluorkoolwaterstofoplosmiddelen. Door de op fluor gebaseerde liganden specifiek te ontwerpen met aangepaste sterische hinder en Lewisbasiciteit, verbeterde het team de oplossing van lithiumzout tot meer dan 2 mol/L.

Het beste oplosmiddel, 1,3-difluorpropaan, vertoonde uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een lage viscositeit van 0,95 centipoise en een hoge oxidatiestabiliteit boven 4,9 volt. Door fluoratomen in de eerste solvatieschil op te nemen, vergemakkelijkt de resulterende zwakke coördinatie zeer efficiënte lithiumplating en -stripping. Dit mechanisme bereikt een Coulombische efficiëntie van 99,7% en een uitwisselingsstroomdichtheid die een volle magnitude groter is dan die van traditionele op zuurstof gebaseerde systemen bij -50 °C (122 °F).

Tests bleken succesvol in lithium-metaalbuidelcellen die werken met elektrolythoeveelheden van minder dan 0,5 gram per ampère-uur. Volgens de onderzoekers gaat deze fluor-coördinatiechemie verder dan de traditionele elektrochemische ontwerpgrenzen. Toekomstige modulatie van de koolstof- en fluorverhoudingen zou nog stabielere varianten met een hoog kookpunt boven 100 °C kunnen opleveren, waarmee een veelbelovende weg wordt ingeslagen om het vermogen en de energiedichtheid van energieopslagsystemen van de volgende generatie verder te verhogen.