Nobelpris-metode kan gi svar på hvorfor litiumionbatterier svikter

Ny innsikt i hvordan litiumionbatterer oppfører seg på det mest fundamentale nivået kan gi batterer med mindre fare for indre kortslutning.

Selv om nesten alt av ladbare biler og bærbar elektronikk med oppladbare batterier bruker litiumionbatterier, er det fremdeles mekanismer i batteriene vi ikke helt forstår.

Ny forskning fra det amerikanske Stanford-universitetes og det amerikanske energidepartementets National Accelerator Laboratory (SLAC) kaster nå nytt lys over en av mekanismene som kan få et batteri til å bli ødelagt.

De har bokstavelig talt sett nærmere på hvordan dendritter formes i litiumionbatterier.

Dendritter er kort sagt utvekster av litium, som formes ved anoden i en celle når batteriet lades opp.

• Toyota tror på hydrogen: Selv om de har revolusjonerende batteriteknologi

Kan kortslutte cellen

Dendritter forårsaker i hovedsak to problemer: Litium gjøres utilgjengelig, og reduserer kapasiteten i cellen. Mer alvorlig er det at dendrittene kan penetrere membranen i cellen, og komme i kontakt med katoden. En får da en kortslutning i cellen, og det kan i verste fall føre til brann.

Dermed er det viktig å vite så mye som mulig om årsakene til at dette skjer, slik at man kan designe celler med mindre risiko for dendrittvekst.

Dette er ikke et stort problem i dagens litiumionbatterier, men det har vist seg å være vanskelig å få kontroll på når man har jobbet med neste generasjon litiumionbatterier.

Faststoffbatterier med anode av litiummetall har stor potensial for økt batterikapasitet. Men litiummetallanoder er særlig utsatt for dendrittvekster.

• Toshiba: Har utviklet elbilbatteri som kan lades på seks minutter

Nobelprisvinnende metode

Forskerene har tatt i bruk kryoelektronmikroskopi (kryo-EM) for å se på dendrittvekst. Metoden innebærer å fryse ned det man skal avbilde, og har vært brukt til å studere biomolekyler. Forskerne som utviklet metoden ble tildelt Nobelprisen i kjemi i år.

Kryo-EM har åpnet en ny verden innen forskning på strukturell biologi de siste årene, og nå altså innen organisk kjemi. Å bruke akkurat denne avbildingsmetoden på litiumionceller, kan vise seg å få stor betydning.

Vanlig transmisjonselektron-mikroskopi (TEM) egner seg ikke like godt til alt. Avbildingen gjøres som regel i luft. Litium er svært reaktivt, og korroderer raskt. Og når forskerne har forsøkt å gjøre avbildinger, skyter elektronene fra mikroskopet bokstavelig talt hull i dendrittene, eller smelter dem fullstendig.

– Det er som å fokusere sollys på et løvblad med et forstørrelsesglass. Men om du kjøler ned bladet samtidig som du fokuserer lys på det, vil varmen spres, og bladet blir uskadet. Det er det vi gjør med kryo-EM. Når det gjelder avbilding av disse batterimaterialene, gjør det stor forskjell, sier Yi Cui, professor ved SLAC og Stanford, og forsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) i en pressemelding.

Cui sier at resultatene er svært spennende, og åpner helt nye muligheter. Hans laboratorie jobber blant annet med å utvikle strategier for å unngå skader fra dendritter, inkludert å utvikle batterier som automatisk stenges av når det oppdages dendrittformasjoner.

• Gode nyheter for entusiastene: Dette kan vi forvente av verktøybatteriene fremover

Kan se på skrøpelige materialer

Kryo-EM gjør det altså mulig å se på kjemisk ustabile og skrøplige materialer, og få høyoppløste bilder av prosessene. Litiummetall er bare ett av batterimaterialene metoden åpner for å studere, skriver universitetet.

Rent praktisk fryses materialet ned i flytende nitrogen, før det studeres under mikroskopet. De kan fryse celler i ulike stadier av en ladesyklus, og ta ut komponenten de vil se nærmere på.

Bildene avslører at dendrittene er lange sekssidede krystaller som foretrekker å vokse i bestemte retninger. I tidligere TEM-avbildinger har de sett mer irregulære ut.

Med denne innsikten kan forskere bedre forstå de fundamentale mekanismene i batteriene, og særlig hvorfor batterier av og til slutter å fungere, skriver universitetet.

• Ned til 50 kuldegrader: Denne norske teknologien kan gi elbilbatterier som ikke får mindre kapasitet i kulda

Innsikt i elektrolyttlag

Forskerne har studert tusenvis av dendritter som har vært i kontakt med ulike elektrolytter. De har studert lagene av såkalt solid electrolyte interface (SEI) som dannes på dendrittene, i detaljer som aldri før har vært mulig, hevdes det.

SEI er et lag som dannes på overflaten til anodematerialet når det kommer i kontakt med elektrolytten. SEI-laget beskytter anoden, men om det sprekker opp vil det eksponere litium, og danne ny SEI. Det gjør i praksis at mindre litium blir tilgjengelig, og at kapasiteten i cellen reduseres.

Metoden gjorde det mulig å se SEI-laget på atomnivå, slik at de kunne måle avstanden mellom atomene. Da de tilsatte en tilsetning som skal forbedre dannelsen av SEI-lag, kunne de se at atomene formet en mer ordnet struktur, noe de tror kan forklare hvordan tilsetningen fungerer.

– Vi ble svært begeistret. Dette var første gangen vi kunne få så detaljerte bilder av en dendritt, og vi så også nanostrukturen til SEI-laget for første gang. Dette verktøyet kan hjelpe oss med å forstå hva ulike elektrolytter gjør, og hvorfor noen fungerer bedre enn andre, sier Yanbin Li, en av masterstudentene som har jobbet med prosjektet.

Nå planlegger forskerne å bruke metoden for å forstå mer om kjemien og strukturen til SEI-laget.

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

Ikke overraskende at de ligger nær fronten

Martin Kirkengen, teknologidirektør i det norske batteriteknologiselskapet Cenate, sier at gruppen til professor Cui tidligere har gjort fremragende arbeid med transmisjonselektronmikroskopi på batterier mange ganger tidligere.

Han mener det derfor ikke er overraskende at de ligger nær fronten også når det gjelder kryoelektronmikroskopi. Han tror at det kommer mye interessant fra denne gruppen fremover.

Kirkengen sier at ikke alle funnene SLAC-forskerne viser til innen dendritter er helt nye, men at det kan komme ny viten av arbeidet.

– Det å kunne studere SEI er kanskje enda mer interessant, her har vi definitivt sett tilfeller av at elektronstrålen brenner bort ting man gjerne skulle sett nærmere på, sier han.

– Så må man bare huske at TEM-resultater oftest gjenspeiler effekten av en enkelt syklus, sier han, og legger til at man ikke kan blokkere TEM-en i ukesvis for å se om fremvekst av densdritter er vesensforskjellig etter 100 sykler enn på ferske overflater.

– For fancy utstyr kan lett gi begrensinger i hvordan du velger å bruke det, sier Kirkengen.

Men TEM er en fantastisk lærerik måte å se på batterier, forklarer han. Dette er også noe Cenate skal jobbe med, og ønsker å studere batterier i vakuum.

Forskningsartikkelen er publisert i siste utgave av journalen Science.

• Les flere artikler om litiumionbatterier.