Mesoporeuze silica met vast lithiumboorhydride in de poriën, kan het vloeibare elektrolyt in lithium-ionaccu’s vervangen. Het geleidt lithiumionen bijna net zo goed en het kan er tenminste niet uit lekken, schrijven Utrechtse, Nijmeegse en Deense onderzoekers in Advanced Functional Materials.

Helemaal begrijpen doen ze het nog niet, maar ze vermoeden dat de ionen zich vooral bewegen langs de grensvlakken tussen LiBH₄ en SiO₂. Puur LiBH₄ geleidt ook lithiumionen, maar alleen boven de 110 graden Celsius. Dan verandert namelijk de kristalvorm. Calorimetrische metingen tonen aan dat die temperatuur iets lager wordt wanneer je het LiBH₄ opsluit in een nanostructuur, maar dat er in de laatste nanometer bij de grensvlakken helemaal niets omkristalliseert. Wat daar dan precies voor kristalstructuur zit moet nog worden opgehelderd, maar in elk geval is het er een die ook bij kamertemperatuur lithiumionen geleidt.

En aangezien je in nanoporeus materiaal relatief veel grensvlak hebt, wordt de overall-geleiding verrassend goed. Bij de eerste proeven was hij al ruim een factor duizend beter dan in ‘kaal’ LiBH₄ bij kamertemperatuur. Voor toepassing in een batterij is het in principe al voldoende. “En waarschijnlijk kun je de geleiding nog een stuk verder optimaliseren”, stelt laatste auteur Petra de Jongh, hoogleraar anorganische nanomaterialen aan de UU.

De vondst heeft een hoog serendipiteitsgehalte. De Jongh wilde eigenlijk LiBH₄ gebruiken als opslagmedium voor waterstof. Daartoe sloot ze het hydride op in poreuze koolstof, nadat een poging om silica te gebruiken was gestrand: ‘We waren er als eersten ter wereld in geslaagd om zo’n materiaal te maken , maar na een jaar proberen bleek het zinloos. Zodra je er iets van de waterstof uithaalt, gaan LiBH₄ en silica gelijk reageren. De nanostructuur verdwijnt en je krijgt lithiumsilicaat, dat helemaal niets meer met waterstof doet.”

Maar in haar achterhoofd had ze ook het idee om er een accu van te maken. En daarvoor is koolstof juist niet geschikt, omdat de lading er door weglekt, en silica juist wél.

Haar Nijmeegse collega Arno Kentgens deed NMR-metingen om de mobiliteit van ionen in het materiaal te volgen. Dat ging óók veel beter met silica. “Poreuze koolstof verziekt je NMR-spectrum”, legt hij uit. “Maar bij metingen aan de silica-monsters zagen we een mobiliteit van lithiumionen die ook wel eens heel interessant kon zijn.”

De Jongh had weer connecties bij de Technical University of Denmark in Roskilde. Daar wist eerste auteur Didier Blanchard experimenteel aan te tonen dat die door NMR gesuggereerde Li-mobiliteit zich inderdaad vertaalde in een zeer hoge geleidbaarheid.

Het zou betekenen dat je een Li-ionaccu kunt maken die geheel uit vaste stof bestaat en niet meer lekt of in brand vliegt.

Bovendien kan hij bij gelijkblijvende capaciteit misschien wel de helft kleiner worden. Omdat het vaste elektrolyt de vorming tegenhoudt van lithium-‘dendrieten’ die uiteindelijk de batterij kortsluiten, kan de afstand tussen de elektroden worden verkort en kun je bovendien voor de anode puur lithium gaan gebruiken in plaats van een lithiumhoudend composietmateriaal.

bron: Universiteit Utrecht