🔬 applied physics

From cathode to anode: Understanding lithium loss in 21700-type Ni-rich NCM||Graphite-SiOx cells

Dit onderzoek gebruikt geavanceerde karakteriseringsmethoden om aan te tonen dat capaciteitsverlies in grote 21700-type lithium-ionbatterijen voornamelijk wordt veroorzaakt door microscopische degradatieprocessen, zoals lithiumverlies en actieve materiaalafname, die worden versterkt door inhomogeniteiten binnen de cellen.

Oorspronkelijke auteurs: Thien An Pham, Hannah Bosch, Giovanni Ceccio, Lukas Keller, Hannes Wolf, Nicolas Bucher, Peter Müller-Buschbaum, Ralph Gilles

Gepubliceerd 2026-02-19

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Thien An Pham, Hannah Bosch, Giovanni Ceccio, Lukas Keller, Hannes Wolf, Nicolas Bucher, Peter Müller-Buschbaum, Ralph Gilles

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Van de Cathode naar de Anode: Waarom grote batterijen sneller 'moe' worden

Stel je voor dat een lithium-ionbatterij als een drukke treinreis is. De cathode (de positieve kant) is het station waar de passagiers (de lithium-atomen) vertrekken. De anode (de negatieve kant) is het eindstation waar ze aankomen. Tijdens het laden stappen de passagiers in de trein en reizen naar het andere station; tijdens het ontladen stappen ze weer uit en gaan terug.

Deze studie kijkt naar een specifiek type batterij, de 21700-cel (een grote, cilindrische batterij die vaak in elektrische auto's zit). De onderzoekers wilden weten: wat gebeurt er met deze passagiers en de trein zelf als de batterij duizenden keren heen en weer reist? En waarom is er verschil tussen het midden van de batterij en de randen?

Hier is de uitleg, vertaald naar alledaagse taal:

1. Het Probleem: De "Grote" Batterij is niet Perfect

Vroeger waren batterijen klein (zoals de 18650). Nu maken we ze groter (zoals de 21700) om meer energie te krijgen. Maar net als bij een groot gebouw is het in het midden van een grote batterij anders dan aan de randen.

De Analogie: Stel je voor dat je een grote kamer verwarmt. De lucht in het midden is vaak heter dan bij de ramen. In een batterij zorgt dit voor ongelijkmatige slijtage. De onderzoekers ontdekten dat het midden van de batterij veel sneller degradeert dan de bodemrand.

2. Wat ging er mis? (De Twee Diefen)

De batterij verloor zijn vermogen (capaciteit). De onderzoekers vonden twee "diefen" die de energie stalen:

Dief 1: De Verdwijnende Passagiers (Li-inventaris verlies)
De lithium-atomen (de passagiers) verdwijnen. Ze komen niet meer terug bij het station.
- Waarom? Aan de kant van de anode (het eindstation) vormt zich een onzichtbare laag, de SEI (Solid Electrolyte Interphase). Dit is als een soort "schuim" of "slijm" dat zich opbouwt op de wanden van het station. Om dit slijm te maken, worden lithium-passagiers opgegeten en vastgehouden. Ze kunnen niet meer reizen.
- Het bewijs: De onderzoekers zagen dat de anode aan het einde van de rit meer lithium bevatte dan aan het begin, maar dat het station (de cathode) juist leger werd. De lithium zat vast in het "slijm" aan de anode.
Dief 2: De Verdwijnende Treinwagons (Actief materiaal verlies)
Niet alleen de passagiers verdwijnen, maar ook de treinwagons zelf breken af.
- Waarom? De batterij bevat een mengsel van grafiet en een nieuw materiaal genaamd Siliciumoxide (SiOx). Silicium is superkrachtig (kan veel passagiers vervoeren), maar het zwellt enorm op als het vol zit, net als een ballon. Dit zorgt voor barsten in de treinwagons.
- Het gevolg: De barsten maken dat delen van de treinwagons losraken en niet meer gebruikt kunnen worden. De onderzoekers zagen dat de "SiOx-passagiers" steeds minder actief werden naarmate de batterij ouder werd.

3. Hoe hebben ze dit gezien? (De Neutronen-Röntgenfoto)

Normaal kun je niet zien wat er binnenin een gesloten batterij gebeurt zonder hem open te breken. Maar deze onderzoekers gebruikten een heel speciale techniek: Neutronen.

De Analogie: Stel je voor dat je een gesloten koffer hebt en je wilt weten wat erin zit. Normaal moet je hem openmaken. Neutronen zijn echter als een magische röntgenstraal die door de metalen behuizing van de batterij heen kan kijken zonder hem kapot te maken.
Ze zagen precies hoe de kristalstructuur van de materialen veranderde. Ze zagen dat de "afstand" tussen de atomen in de cathode veranderde, wat bewees dat er minder lithium in zat. Ze zagen ook dat de anode minder goed kon vullen met lithium.

4. De Belangrijkste Ontdekkingen

Onregelmatigheid: De slijtage is niet overal even erg. Het midden van de batterij is het hardst getroffen. De randen (vooral de bodem) zijn iets gezonder. Dit komt waarschijnlijk door hoe de vloeistof (elektrolyt) zich beweegt en warmte zich verspreidt in de grote cilinder.
De Anode is de Boosdoener: Hoewel de cathode (het vertrekstation) lithium verliest, is het de anode (het aankomststation) waar het echte probleem zit. De lithium wordt daar "opgegeten" door het groeiende slijm (SEI) en de barsten in het silicium.
De Rol van Silicium: Het nieuwe silicium-materiaal is geweldig voor de energie, maar het is ook kwetsbaar. Het barst sneller dan gewoon grafiet, wat de levensduur verkort.

Conclusie: Wat betekent dit voor de toekomst?

Deze studie laat zien dat als we batterijen groter maken voor elektrische auto's, we rekening moeten houden met de "interne ongelijkheid". Het midden van de batterij is de zwakke schakel.

Om betere batterijen te maken, moeten ingenieurs:

De vormgeving verbeteren zodat de warmte en vloeistof beter worden verdeeld (zodat het midden niet te heet wordt).
De anode beter beschermen tegen barsten en het "slijm" (SEI) dat lithium opvreet.

Kortom: De batterij is als een oude trein die na veel reizen minder passagiers kan vervoeren en waarvan de wagons beginnen te barsten. Door te kijken met "neutronen-brillen", weten de onderzoekers nu precies waar de trein het meest beschadigd is, zodat ze hem in de toekomst sterker kunnen bouwen.

Titel: Van Kathode tot Anode: Begrip van Lithiumverlies in 21700-type Cellen met Ni-rijke NCM-kathodes en Graphiet/Siliciumoxide-anodes

1. Het Probleem

De overgang naar grotere batterijformaten (zoals de 21700-type cilindrische cellen) voor elektrische voertuigen (EV's) verhoogt de totale bruikbare energie, maar introduceert nieuwe uitdagingen. Grotere cellen zijn vatbaar voor inhomogeniteiten, zoals thermische gradiënten en variaties in elektrolytverdeling, die de veroudering (aging) en prestaties negatief beïnvloeden.
Specifiek voor deze studie zijn de degradatiemechanismen in cellen met Ni-rijke NCM-kathodes (LiNi₀.₈₃Co₀.₁₂Mn₀.₀₅O₂) en composiet-anodes (Graphiet met ~14 gew.% SiOₓ) onvoldoende in kaart gebracht. Hoewel bekend is dat lithiumverlies (LLI - Loss of Lithium Inventory) en verlies van actief materiaal (LAAM - Loss of Active Anode Material) de oorzaken zijn van capaciteitsdaling, is het niet duidelijk hoe deze processen zich ruimtelijk verdelen binnen een grote cilindrische cel en hoe de interactie tussen kathode en anode verloopt tijdens cyclische veroudering.

2. Methodologie

De onderzoekers hebben een geavanceerde, multi-schaal aanpak gebruikt om degradatie in 21700-type prototypecellen te analyseren:

Proefopstelling: Cellen werden gecycliseerd tot verschillende State of Health (SOH) niveaus: SOH100 (referentie), SOH80 en SOH70. De cellen bevatten een NCM-831205 kathode en een Graphiet/SiOₓ-anode.
Elektrochemische Analyse:
- Capaciteitstests bij verschillende C-rates.
- DVA (Differential Voltage Analysis) en ICA (Incremental Capacity Analysis) om degradatiemodi (LLI en LAAM) te identificeren op basis van piekverschuivingen in de spanningscurven.
In Operando Neutronendiffractie (ND):
- Uitgevoerd op het SINQ-instrument (Paul Scherrer Instituut, Zwitserland).
- Hiermee werden kristalroosterparameters (gitterparameters) van de NCM-kathode en fase-overgangen in de grafiet-anode (van C naar LiC₁₂ en LiC₆) in real-time gevolgd tijdens het laden.
Neutronen Diepteprofilering (NDP):
- Uitgevoerd op de TNDP-spectrometer (NPI CANAM, Tsjechië) op geëxtraheerde elektrodes.
- Deze techniek meet de lithiumconcentratie als functie van de diepte in de elektrode.
- Steekproeven werden genomen op verschillende posities binnen de cel: Centrum (IC) en Binnenrand/Bodem (IE) om ruimtelijke inhomogeniteiten te detecteren.

3. Belangrijkste Bijdragen

Koppeling van Macro- en Micro-data: Het onderzoek combineert elektrochemische data met structurele in situ-data (ND) en diepteprofielen (NDP) om een volledig beeld te krijgen van lithiumverlies.
Ruimtelijke Analyse: In plaats van alleen gemiddelde waarden te nemen, wordt voor het eerst in detail de degradatieverschil tussen het centrum en de rand van een 21700-cel gekwantificeerd.
Mechanisme van Lithiumverlies: Het onderzoek bevestigt dat lithiumverlies voornamelijk plaatsvindt aan de kant van de anode door SEI-groei, terwijl de kathode minder lithium terugkrijgt tijdens het ontladen.

4. Resultaten

Elektrochemische Veroudering (DVA/ICA):
- Er werd een duidelijke afname van de capaciteit waargenomen.
- LAAM (Verlies Actief Anodemateriaal): De piek in de DVA-curve die de overgang van LiC₁₂ naar LiC₆ aangeeft, verschuift naar lagere capaciteiten. Dit betekent dat minder lithium nodig is om deze fase-overgang te bereiken, wat wijst op een verlies aan actief grafietmateriaal. Ook de activiteit van SiOₓ neemt af.
- LLI (Verlies Lithiumvoorraad): De verschuiving van de DVA-curven naar hogere potentiaalwaarden en de afname van de piekintensiteiten bevestigen dat er minder cyclisch lithium beschikbaar is.
Structuurveranderingen (Neutronendiffractie):
- Kathode (NCM): De roosterparameter $a$ (die correleert met het lithiumgehalte) vertoont een kleinere verandering tussen geladen en ontladen toestand bij verouderde cellen. Dit betekent dat de kathode minder lithium kan opnemen/afgeven. De kathode wordt bovendien dieper gedelithiëerd (hogere spanningen), wat leidt tot grotere volumeveranderingen en stress in de deeltjes.
- Anode (Grafiet): De vorming van de volledig lithiëerde LiC₆-fase neemt af bij veroudering, terwijl de LiC₁₂-fase dominant blijft. De drempelwaarde voor het bereiken van LiC₁₂ en LiC₆ verschuift naar lagere capaciteiten, wat LAAM bevestigt.
Lithiumverdeling (NDP):
- Kathode: De totale lithiumconcentratie in de kathode neemt af met veroudering (SOH70 heeft minder Li dan SOH100).
- Anode: De totale lithiumconcentratie in de anode neemt toe bij veroudering. Er is een duidelijke toename van lithium aan het oppervlak (breedere en hogere piek), wat wijst op een dikkere SEI-laag (Solid Electrolyte Interphase).
- Conclusie: Lithium wordt verbruikt aan de anode (SEI-vorming) en komt niet meer terug naar de kathode.
Ruimtelijke Inhomogeniteit:
- Steekproeven uit het centrum van de cel tonen een ernstigere degradatie (meer lithiumverlies in de kathode, meer lithiumopname in de anode/SEI) dan steekproeven uit de bodemrand. Dit bevestigt het bestaan van gradiënten in grote cilindrische cellen.

5. Betekenis en Conclusie

De studie levert een cruciaal inzicht in de degradatiemechanismen van hoog-energetische 21700-cellen. De belangrijkste bevinding is dat capaciteitsverlies primair wordt veroorzaakt door lithiumverlies aan de anodezijde (door continue SEI-groei), wat resulteert in een tekort aan lithium dat terugkeert naar de kathode.

De resultaten hebben belangrijke implicaties voor de batterijontwikkeling:

Celontwerp: Er moet rekening worden gehouden met inhomogeniteiten in grote cellen; het centrum van de cel degradeert sneller dan de randen.
Materialen: De instabiliteit van de SEI op SiOₓ-bevattende anodes is een kritieke factor. Strategieën om SEI-groei te remmen zijn essentieel voor een langere levensduur.
Diagnostiek: De combinatie van in operando diffractie en diepteprofilering biedt een krachtige methode om degradatiebronnen te lokaliseren, wat helpt bij het optimaliseren van de volgende generatie EV-batterijen.