Forskningsgjennombruddet kan blant annet gi bedre og sikrere batterier. (Bilde: Colourbox)

Forskning på batterier

Dansk gjennombrudd: Kan se reaksjoner inne i batterier mens de er i bruk

  • Batterier

DTU Energi i Danmark har oppdaget en ny metode for å studere de elektrokjemiske reaksjonene som foregår inne i batterier, i sanntid. Forskerne mener at de nye mulighetene for observasjoner kan være med på å gjøre framtidens batterier sikrere og mer holdbare.

Grensesnittene i et batteri betyr mye for ytelsen, men har hittil vært vanskelige å studere.

Men nå har danske DTU Energi lyktes med å lage en celle som in situ kan følge med inne i batteriet mens det er i bruk, slik at man kan observere og studere ione-transporten i grensesnittene til batteriet.

Denne cellen kan forskerne nå sette på batterier, og det gjør dem i stand til å følge de kjemiske reaksjonene som foregår inne i batteriet, i sanntid.

Forstå, kontrollere og manipulere

– I batteriet har man en elektrode og en elektrolytt – og på grensesnittet mellom dem, skjer det noen kjemiske reaksjoner. Det blir dannet lag som både kan hindre transporten av litium og beskytte elektrodene. Noen av dem er nødvendige for batteriene, og vi har sett på dannelsen og strukturen i de lagene, sier professor Poul Norby ved DTU Energi.

Hi-C konsortiet består av 8 organisasjoner


• Danmarks Tekniske Universitet (DTU)
• Université François Rabelais de Tours, Frankrike
• Commissariat á l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Frankrike
• Karlsruher Institut für Technologie, Tyskland
• Uppsala Universitet, Sverige
• Haldor Topsøe AS, Danmark
• Varta Microbattery GMBH, Tyskland
• Uniscan/Bio-Logic Science Instruments Ltd, Storbritannia

De danske batteriforskerne har fokusert mest på hva som skjer i grensesnittene rundt batteriets elektrode. Derfor konstruerte de en spesiell celle som gir dem mulighet til å observere reaksjonene mens de foregår.

– Cellen som vi har lagd bruker vi for å studere hva som skjer strukturelt inne i elektrodene. Det finnes grensesnitt mellom de ulike kornene inne i elektrodene, men også inne i de enkelte elektrodematerialepartiklene der grensene mellom litium-rike og litium-fattige domener endrer seg når det skjer en innsetting eller fjerning av litium, forteller Poul Norby.

 Her er noen av de ulike grensesnittene som finnes i et litium-batteri. (Foto: Norby et al 2017)
Her er noen av de ulike grensesnittene som finnes i et litium-batteri. (Foto: Norby et al 2017)

Forsøket er gjennomført som et ledd i et stort samarbeid ved navn Hi-C, som går på tvers av både europeiske grenser og organisasjoner. Formålet var å undersøke, forstå, kontrollere og manipulere batterienes grensesnitt; noe som deltakerne forsøkte med ulike metoder.

Forskningen vil kunne gi ny innsikt i batteriers indre elektrokjemi, slik at det i framtiden vil kunne bli mulig å produsere sikrere og mer holdbare batterier. Forskerne har også sett på hvilke materialer som kunne være spesielt egnede til batterier i framtiden.

 Det kan oppstå flere ulike flaskehalser for litium-ioner, både i indre og ytre grensesnitt. Bildet øverst viser hvordan endring i grafenlag kan forbedre diffusjonen i litium-ionene. Det nederste viser forhold mellom litiumholdige molekyler og deres ulike evne til å transportere ioner og elektroner. Foto: Norby et al 2017
Det kan oppstå flere ulike flaskehalser for litium-ioner, både i indre og ytre grensesnitt. Bildet øverst viser hvordan endring i grafenlag kan forbedre diffusjonen i litium-ionene. Det nederste viser forhold mellom litiumholdige molekyler og deres ulike evne til å transportere ioner og elektroner. Foto: Norby et al 2017

Hele prosjektet har grunnleggende handlet om å etablere ulike metoder for å granske de mange grensesnittene som finnes i et batteri.

Grensesnittene finnes flere steder i batteriet, og ytelsen til et batteri kan ofte være begrenset av nettopp grensesnittenes evne til å transportere ioner og elektroner.

Flere store funn

I tillegg til de danske resultatene har også andre deltagere i forsøket hatt spennende framskritt.

 To forsøk med å benytte ultralyd for å studere tilstanden til et batteri. Øverst er en passiv oppstilling hvor man bare lytter til batteriet. Nederst tilføres det aktivt lydbølger inn i batteriet. Deretter lyttes det til signalet som kommer ut. Foto: Norby et al 2017
To forsøk med å benytte ultralyd for å studere tilstanden til et batteri. Øverst er en passiv oppstilling hvor man bare lytter til batteriet. Nederst tilføres det aktivt lydbølger inn i batteriet. Deretter lyttes det til signalet som kommer ut. Foto: Norby et al 2017

Den fransk-britiske bedriften Bio-Logic Science Instruments har utviklet et Scanning Electrochemical Microscope (SECM150), som kan måle elektrokjemiske reaksjoner ned til 100 picoampere med under 0,5 prosents misvisning. Selskapet bak har allerede startet kommersiell produksjon av SECM150.

– Vi forventer å selge fire ganger så mange SECM150-er som dagens SECM-instrumenter, noe som markant vil øke etterspørselen etter de kapillærbaserte testsondene som vi utviklet under Hi-C-prosjektet, sier daglig leder John Griffths hos Bio-Logic Science Instruments til DTU.

SECM150 gir forskere mulighet for å se atomers plassering og krystalldannelse inne i batteriet på atomnivå mens det er i bruk.

Kan lese av batteridata med lyd

Forskere fra Commissariat é l’Energie Atomique (CEA) i Frankrike har utviklet en metode for å se hvor mye strøm det er i et batteri i sanntid ved hjelp av ultralyd. Teknikken kan brukes på en rekke ulike litiumbatterier, blant annet i elektriske biler og sykler.

Fordelen er at man – uten å legge inn fysiske elementer – bare med lydbølger vil kunne få en nøyaktig måling av hvor mye strøm som er igjen i batteriet. Det fungerer ved at ultrasoniske sensorer kan fange opp akustiske bølger som kommer fra endringer i batteriene.

Selv om forskere har jobbet med ulike løsninger, har de alle hatt et felles utgangspunkt og et felles mål.

– De fleste av de metodene som vi har utviklet, er for avansert diagnostisering av batterier under drift, slik at man for eksempel kan undersøke hvor det blir problemer, og hvordan man kan utbedre dem, konkluderer Poul Norby.

Det omfattende prosjektet har kostet nesten 46 millioner kroner, og EU har betalt 75 prosent av utgiftene.

Artikkelen ble først publisert på Ing.dk

 

 

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)