Forskere ved A. James Clark School of Engineering og University of Maryland Energy Research Center hevder å ha løst et problem knyttet til litiumionbatterier uten flytende elektrolytt – som kan gi tryggere batterier med bedre ytelse og lavere pris på sikt.
I en pressemelding hevdes det at en tynn film av aluminiumoksid og en fast elektrolytt av mineralet granat kan være løsningen.
Battericeller med faststoffelektrolytt kan potensielt bidra til å løse problemer knyttet til dagens celler, som har flytende elektrolytt.
Brennbar elektrolytt
Flytende elektrolytt er brennbar, noe som kan være et problem dersom en situasjon med ukontrollert oppvarming av celler oppstår.
Faststoffelektrolytt er som navnet beskriver en elektrolytt som ikke er i væskeform. Det behøver ikke nødvendigvis bety at den ikke er brennbar, men den kan være mindre brennbar, og dermed bidra til å redusere risiko for brann.
Det er likevel ikke bare såre enkelt å bytte ut flytende elektrolytt med faststoff. En av de store utfordringene på dette feltet er å overføre ladning fra anoden til katoden via elektrolytten.
En flytende elektrolytt har god kontakt med elektrodene, mens faststoff har høy motstand i grenseflatene. Det gjør batteriene mindre effektive.
- Vil ikke være lønnsomt: – Kommer ikke til å bli produsert biler med forbrenningsmotor etter 2025
Fordeler med faststoffelektrolytt
Samtidig har slike celler en rekke teoretiske fordeler. Man kan for eksempel stable dem i serie direkte, slik at et batteri kan bestå av færre moduler.
Særlig om anoden også kan være laget av litiummetall. Det ville gitt høy kapasitet. I celler med flytende elektrolytt, brukes ikke rene litiummetallanoder, men grafitt som holder litiumatomer, noe som begrenser hvor stor kapasiteten i praksis kan være.
Med rent litiummetall vil det potensielt være langt mer litium tilgjengelig, og dermed høyere kapasitet.
Mange jobber med å finne løsninger på dette, og mineralet granat har vært fremholdt som en god kandidat til faststoffelektrolytt. Mineralet er svært stabilt, og har høy elektrolytisk ledningsevne. Det er stabilt i kontakt med litiummetall.
- Nye elbiler i 2017: I år trenger du ikke kjøpe Tesla for å kjøre langt
Mange forsøk
Samtidig er det høy impedans (motstand) i grenseflaten mellom anoden og elektrolytten, siden granat og litium ikke ligger helt plant mot hverandre.
Dette har man også observert i forsøk hvor man har påført smeltet litium på granat.
Tidligere forsøk har dessuten vist at dendritter, utvekster av litium, vokser fra litiumanoden, og trenger igjennom granatelektrolytten, slik at cellen kortsluttes.
Dendritter formes under opplading av cellen, når litiumioner vandrer tilbake til litiummetallanoden. Dette er en utfordring med alle litiumionbatterier, men særlig i litiummetallanoder.
- Norske forskere: Utvikler batterier som kan lades 1000 ganger raskere
Hevder å ha funnet en løsning
Forskerne hevder nå å ha funnet en mulig løsning på problemene, slik at elektrolytt av modifisert granat kan brukes, samtidig som motstanden i grenseflaten mellom elektrolytten og elektroden blir lavere.
Ved å avleire en tynnfilm av aluminiumoksid mellom elektrolytt og anode i en celle med litiummetallanode og granatelektrolytt, reduseres impedansen fra 1,71 kiloohm per kvadratcentimeter til 1 ohm per kvadratcentimeter ved romtemperatur.
Oksidlaget «væter» litiummetallet, og gjør at litiumioner mer effektivt kan ledes mellom anode og elektrolytt.
– Bedre ytelse enn med vanlige celler
Dr. Eric D. Wachsman, lederen for University of Maryland Energy Research Center sier til Teknisk Ukeblad at ytelsen til celler laget med deres metode vil være langt bedre enn celler laget på tradisjonelt vis, siden de gjør det mulig å bruke litiummetall som anode.
Wachsman er en av forfatterne bak forskningsartikkelen.
– Vi har allerede demonstrert demonstrert rundt 300 wattimer per kg total cellemasse, og prosjekterer å passere 400 wattimer per kg i svært nær fremtid, sier Wachsman.
Han sier at teknologien vil egne seg bra til batterier som har både høy kapasitet og mulighet for hurtiglading.
– Vi lager allerede hele batterier, og demonstrerer hurtigladingsevnene, sier han.
Hindrer dannelse av dendritter
Tidligere arbeider fra samme forskergruppe har vist at metoden også skal ha fordelen at dannelse av dendritter hindres av aluminiumoksidlaget.
Wachsman forklarer at aluminiumoksid gjør det mulig for litiummetallet å væte overflaten på granatelektrolytten.
– Uten dette har litiummetall svært dårlig kontakt med granat, og danner bare et svært begrenset antall kontaktpunkter over overflaten, sier Wachsman.
Han forklarer at det lokale elektriske feltet og strømtettheten ved disse punktene av den grunn er mye større, noe som resulterer i dentrittformasjoner på disse punktene.
– Siden litium væter hele overflaten til granat dekket med aluminiumoksid, blir det elektriske feltet og strømtettheten spredt over hele overflaten, noe som hindrer at dendritter dannes, sier han.
Det er dermed i praksis mulig å lage en fungerende celle ved hjelp av metoden til de amerikanske forskerne.
De har demonstrert funnene sine i en fungerende celle, bestående av litiummetallanode, granatelektrolytt og en svovelkatode.
Kan gi batterier med mer energi
Det betyr likevel ikke at et batteri er klart, eller at det kan komme på markedet med det første.
Det er flere utfordringer med slike løsninger.
Teknologisjef i Grenland Energy AS, Dr. Lars Ole Valøen, sier til Teknisk Ukeblad at han synes det er spennende at forskerne har funnet løsninger for lettere ladningsoverføring i grenseflaten.
– En må likevel huske at ledningsevnen i faststoffelektrolytter er i størrelsesorden 10 prosent av flytende elektrolytter, så en kan bare lade og utlade med lave strømmer, sier Valøen.
Han påpeker at faststoffelektrolytter generelt er mindre brennbare enn flytende elektrolytter for litiumionbatterier. Dermed kan utviklingen være relevant der sikkerhet er viktig, og hurtiglading ikke er nødvendig, tror han.
«Revolusjonerende»
Forskerne er i midlertid sikre i sin sak, og beskriver på sin side resultatene som et stort revolusjonerende fremskritt. De tror de kan gi batterier med høy energitetthet samtidig som de er trygge, ettersom elektrolytten ikke er brennbar.
Wachsman mener at denne teknologien står på terskelen til å endre landskapet for energilagring.
– Hvilke utfordringer må løses før denne teknologien kan kommersialiseres?
– På det nåværende tidspunktet har vi allerede fullcellebatterier med høy ytelse, og vi har demonstrert cellenes oppskaleringsevner. Det eneste problemet er å skaffe investeringer for full produksjonsoppskalering, sier Wachsman.
- Å dytte på mer strøm i en vanlig elbil er en dårlig idé: Derfor kan du ikke lade elbilen raskere
Viktig utvikling
John B. Goodenough, mannen som av mange anses som litiumionbatteriets far, sier i pressemeldingen fra universitetet at dette er en viktig utvikling. Goodenough var ikke selv involvert i forskningen.
Han bemerker at selv om funnene i forskningen er viktig for de som jobber med å erstatte flytende elektrolytt med faststoffelektrolytt, er ikke alle utfordringer løst.
Han påpeker, i likhet med Valøen, at funnene ikke umiddelbart kan sies å gi batterier som kan lades med høy effekt.
Hvordan løsningen skal kunne produseres med en større overflate og samtidig ha gode nok mekaniske egenskaper, er også et problem som er uløst, bemerker han.
Forskningen er delvis finansiert av forskningsprogrammer fra USAs energidepartement.
En artikkel er publisert i journalen Nature Materials.
- Les flere saker om elbil
