Ved å fjerne aluminiumoksider og skape et skall av titanoksider, kan aluminium brukes som anode i litiumbatterier. Det gir bedre elektrisk ytelse, og lengre levetid, ifølge en nylig publisert studie. (Bilde: Achim Prill / Montasje)

LEVETID I BATTERI

Forsker tabbet seg ut på laben - gjorde revolusjonerende funn

 

En gruppe bestående av forskere fra MIT og universitetet i Tsinghua i Kina har ved et uhell oppdaget en måte å få litiumionebatterier til å vare lenger.

Det viser det seg at deres metode gir batteriet fire ganger så mye gjenværende kapasitet som et vanlig litiumionebatteri etter at det er ladet opp og ut 500 ganger. Det kan bety at batterier kan få lengre levetid på sikt.

I stedet for anode av karbon, vil de bruke anode av aluminium. Mens karbon, mer spesifikt grafitt, har en ladningskapasitet på 0,35 Ah pr gram, har aluminium en teoretisk kapasitet på 2 Ah pr gram.

Problemet er at aluminium ekspanderer mye når det absorberer litium.

Litiumionebatterier har i utgangspunktet fordelen at de har høy kapasitet i forhold til vekten. Men siden de er designet slik at de utvider seg og krymper under bruk, vil de med tiden tape kapasitet.

Dette skjer ved at litium går fra anoden til katoden under utlading, og tilbake under opplading.

Les også: Dette bilbatteriet går «aldri» tomt og gir blaffen i kulda

Bevegelser i anoden forbruker litium

Anoden i et litiumionebatteri er som regel laget av karbon, som ikke er stabilt når det kommer i kontakt med elektrolytten i cellen. Da dannes en skorpe på anoden kalt solid electrolyte interface (SEI), som gjør at den ikke kan reagere med elektrolytten. Litium kan imidlertid trenge gjennom skorpen.

Når batteriet sykles, vil anoden vokse og krympe litt, slik at skorpen sprekker opp. Da får friskt karbon får tilgang til elektrolytten, og noe av litiumet brukes opp. Prosessen vil over tid føre til at kapasiteten taper seg, ettersom litiumet forsvinner.

Aluminium har gode teoretiske egenskaper i et litiumionebatteri, men siden metallet ekspanderer langt mer enn karbon, har det ikke vært praktisk mulig å ta dette i bruk som anode.

SEI-skorpen vil ikke få mulighet til å være i ro på grunn av bevegelsene, og dermed stadig falle av slik at litium hadde blitt forbrukt raskt.

Les også: Slik får du batteriet i elbilen til å vare

(a) SEM image of Al@TiO2 with a broken shell. Bright-field transmission electron microscopy images of Al@TiO2 at (b) low and (c) high magnifications, indicating the inner aluminum yolk encapsulated by the TiO2 shell. Scale bars, a and b, 20 nm; c, 10 nm. The chemical composition was confirmed by the element mappings of (d) Ti, (e) O, and (f) Al, corresponding to the structure shown in (c).
(a) SEM image of Al@TiO2 with a broken shell. Bright-field transmission electron microscopy images of Al@TiO2 at (b) low and (c) high magnifications, indicating the inner aluminum yolk encapsulated by the TiO2 shell. Scale bars, a and b, 20 nm; c, 10 nm. The chemical composition was confirmed by the element mappings of (d) Ti, (e) O, and (f) Al, corresponding to the structure shown in (c). Nature Communications

Laget skall rundt aluminiumanode

Nå har forskerne laget et skall av nanopartikler rundt aluminiumet. Tanken er at dette skal være omtrent som et eggeskall, med aluminiumet som «plomme» i midten.

Dette beskytter aluminiumet mot elektrolytten, samtidig som det gis mulighet til å ekspandere.

Skallet er laget av titandioksid, som dekkes av SEI-skorpe. Siden skallet ikke ekspanderer, skal det være stabilt.

De kom frem til resultatet som følge av et uhell. Aluminiumpartiklene de brukte får naturlig et lag av dialuminiumtrioksid. Dette ønsket de å bli kvitt, siden det reduserer ledeevnen, skriver MIT på sine nyhetssider.

Forskerne ønsket å fjerne aluminiumoksidet, og dekke det med med titandioksid, som har bedre elektrisk ledeevne, og slipper gjennom litiumioner. Skallet ble laget ved å blande aluminium og titansulfater med svovelsyre, som til slutt skapte et skall av titandioksid på aluminiumet.

Les også: Slik får du maksimalt ut av mobil-batteriet

Glemte et parti

Skallet er mellom 3 og 4 nanometer tykt, og dannes nærmest umiddelbart. Forskerne glemte imidlertid av et parti, som lå i oppløsningen i flere timer, ifølge Economist.com. De oppdaget da at aluminiumskjernen hadde krympet, og blitt til en «plomme» i et egg med titandioksidskall.

Etter å ha testet de nye anodene gjennom 500 ladesykluser, er resultatet at skallet blir litt tykkere, mens aluminiumet forblir uendret, uten SEI-skall. Det ser dermed ut til at elektroner og litiumioner passerer fritt gjennom skallet.

Anoden gir angivelig tre ganger kapasiteten til karbonanoder ved normallading, og batteriet har fire ganger så mye gjenværende energi som et karbonbasert litiumionebatteri. Forskerne beskriver selv ytelsen som «ultrastabil».

Etter 500 sykler begynner imidlertid kapasiteten å tape seg raskere, med 0,03 prosent per sykling. Skallet beskrives også som svært stabilt, da det ikke oppstår SEI-skorpe på innsiden av det etter 500 sykler.

I testene har de benyttet katode av litiumjernfosfat (LiFePO4), og Sa Li, en av forskjerne fra det kinesiske Tsinghua-universitetet, beskriver metoden som enkel og skalerbar, ifølge MIT.

Resultatene er publisert i Nature Communications.

Les også: Slik sjekker du hva som tømmer mobilbatteriet