Litiumionebatterier, som disse 18650-cellene, har blitt en viktig komponent i teknologiens verden. Forbedringer i designen kan gjøre dem enda mer effektive. (Bilde: Odd Richard Valmot)

LITIUMIONEBATTERI

Ny oppdagelse kan gi elbilbatteri bedre ytelse og lengre levetid

Forskere har laget en silisiumanode som kan gi bedre litiumionebatterier.

Små forbedringer i batteriet kan gi store forbedringer. Nå har en forskergruppe fra University of California, Riverside (UCR), utviklet en ny anode de hevder har potensiale til å  forlenge levetiden til litiumionebatterier, og gi høyere kapasitet.

Mange jobber med å utvikle alternative batterikjemier enn litiumionebatterier, men det er mange problemer som må løses før slike kan kommersialiseres.

Andre, som Cadenza Innovations, jobber med å gjøre forbedringer i dagens batteriteknologi. 

Forskergruppen fra UCR har gjort noen forbedringer som kan føre til billige batterier som varer lenge, og som kan brukes i alt fra mobiltelefoner til biler, skriver universitetet i en pressemelding.

De har utviklet en ny type anode bestående av et nanokompositt av silisium og tinn.

Litiumioner

Utladingsmekanismen i oppladbare litiumionebatterier. .
Utladingsmekanismen i oppladbare litiumionebatterier. . Foto: Lina Merit Jacobsen

Et litiumionebatteri består grovt sett av celler med en katode som avgir elektroner til en anode via en ytre krets, og en elektrolytt som sørger for at ioner kan vandre mellom katode og anode internt i cellen.

Når batteriet er oppladet, er en gitterstruktur i anoden full av litiumatomer. Når batteriet lades ut, avgir litiumatomene et elektron, som vandrer via den ytre kretsen.

Samtidig vandrer litiumatomet, som nå er et litiumion, fra anoden via elektrolytten, til katoden, hvor det gjenopptar et elektron og igjen blir et litiumatom lagret i katoden.

Problemene med karbonanoder

Anoden består som regel av karbon, i form av grafitt. Grafitt gir en god balanse mellom råvarepris, energitetthet og levetid.

Men det er også begrensinger og utfordringer.

Karbon reagerer med elektrolytten, og danner en skorpe kalt solid electrolyte interface (SEI), som litium kan passere gjennom. Skorpen binder imidlertid litium når den dannes, slik at noe litium forbrukes.

Når batteriet sykles, vil denne skorpen sprekke litt opp, og frisk karbon som får kontakt med elektrolytten vil danne ny skorpe. Slik brukes litium opp litt etter litt, og over tid gir det redusert kapasitet.

Silisium har langt høyere kapasitet

En annen utfordring med grafittanoder er begrensingen i kapasitetspotensialet, som er omtrent 370 milliamperetimer per gram. Dette er ganske lite sammenlignet med andre materialer. 

Til sammenligning er kaptasitetspotensialet til silisium teoretisk rundt 4200 milliamperetimer per gram, og for tinn rundt 990 mAh per gram.

Det er ikke bare å bytte anoden, for det må gjøres endringer i katoden også, men forenklet sagt kunne man fått større kapasitet ved å bytte anodemateriale.

Elektronmikroskopbilde (fargelagt) av anodematerialet.
Elektronmikroskopbilde (fargelagt) av anodematerialet. Foto: Zhong, L. et al. Tin nanoparticles as an effective conductive additive in silicon anodes. Sci. Rep. 6, 30952; doi: 10.1038/srep30952 (2016)

Silisium har potensiale

Problemet med silisium er at det tross stor teoretisk kapasitet ikke har spesielt god ledeevne.

SEI-skorpen som dannes i kontakt med elektrolytten er dessuten mindre stabil enn med grafitt, slik at kapasitet tapes mye raskere.

Silisium og tinn som anodemateriale er det forsket mye på, og en rekke forskjellige løsninger er prøvd ut. 

Blandet inn tinn

Forskerne ved UCR har nå laget en anode bestående av silisium iblandet tinn, eller mer spesifikt blandet nanopartikler av tinn inn i et mesoporøst (porer med på mellom 2 og 50 nanometer) silisiumnettverk. 

De har demonstrert at konduktiviteten økes, slik at litium effektivt tas opp i anoden.

Tredoblet kapasitet

Dette gir tredoblet anodekapasitet sammenlignet med grafitt. Det gir også bedre stabilitet, som forlenger levetiden. 

(A) Ytelse ved galvanostatisk utlading av anode med 2,2 prosent tinn i vekt (rød), og for anoden uten tinn (svart), ved 0,1 C. Røde sirkler representerer couloumbsk effektivitet for anoden med tinn. (B) Galvanostatisk utladingskapasitetsytelse til anoden med 2,2 prosent tinn i vekt, sykled ved 1C.
(A) Ytelse ved galvanostatisk utlading av anode med 2,2 prosent tinn i vekt (rød), og for anoden uten tinn (svart), ved 0,1 C. Røde sirkler representerer couloumbsk effektivitet for anoden med tinn. (B) Galvanostatisk utladingskapasitetsytelse til anoden med 2,2 prosent tinn i vekt, sykled ved 1C. Foto: Zhong, L. et al. Tin nanoparticles as an effective conductive additive in silicon anodes. Sci. Rep. 6, 30952; doi: 10.1038/srep30952 (2016).

Kapasitetspotensialet er 1500 milliamperetimer per gram, og etter 100 ladesykler er den redusert til 1100 milliamperetimer per gram. Etter 200 sykler reduseres dette til 970 milliamperetimer per gram.

Til sammenligning er kontrollen, en ren silisiumsanode, redusert til 200 milliamperetimer per gram etter bare fire ladesykler.

Tinnpartiklene gir altså en kraftig forbedring i stabiliteten og ytelsen.

Når de blandet inn carbon black, en industrielt produsert sot, i anoden, fikk de en noe forbedret ytelse, men konklusjonen er at det er tinn som er den kritiske ingrediensen her.

Lett tilgjengelige materialer

Anodematerialet sies også å være enkelt å produsere, og kan potensielt være klart for markedet når neste generasjon elbiler kommer, om vi skal tro pressemeldingen. Materialene som ble brukt, var hyllevare. 

– Synergieffekten mellom disse to materialene fører til batterier som overgår ytelsen til de to komponentene alene, en forbedring som er et resultat av den høye elektriske konduktiviteten og gode energilagringskapasiteten til tinn. Dette kan oppnås med tilsetting av selv små mengder tinn, så små som to prosent i vekt, sier Lorenzo Mangolini, førsteamanuensis ved UCRs Bourns College of Engineering.

Langt fra klart

Det gjenstår imidlertid mer arbeid, hovedsakelig å forbedre designen med tanke på å få en stabilitet som tillater 1000 ladesykler.

Da må anodestrukturen, som på det nåværende tidspunkt er ganske enkel, forbedres. 

Anoden er dessuten bare demonstrert i en halvcelle.

En anode med høy kapasitet gir heller ikke et høykapasitetsbatteri alene, da katoden må matche ytelsen. Et annet moment er at det aktive materialet i et batteri ikke utgjør hele vekten eller volumet. En prosentvis økning i ytelsen i en av de aktive delene kan derfor ikke direkte oversettes til tilsvarende økning i ytelse.

Universitetets avdeling for teknologikommersialisering har søkt om patent på metoden.

Artikkelen «Tin nanoparticles as an effective conductive additive in silicon anodes» er publisert i journalen Nature Scientific Reports, og har åpen tilgang.

Kommentarer (6)

Kommentarer (6)