Batteriforskare: Så når vi tio procents längre räckvidd om något år

2020-03-19 06:00  

Med höjd spänning skulle litiumjonbatterier kunna ge elbilar tio procents längre räckvidd. Forskare på Uppsala universitet tror att de har nått ett genombrott med högvoltskatoder.

Burak Aktekin stansar ut en bit folie, cirka en centimeter i diameter, med svart beläggning på ovansidan. Den lilla biten i Ångströmlaboratoriet ser oansenlig ut men kan bli den efterlängtade lättnaden på elbilsförarnas räckviddsångest.

Världen över pågår ett intensivt race för att förbättra dagens litiumjonbatterier. Bilindustrin vill att elbilarna ska kunna nå längre, accelerera fortare, laddas snabbare och helst ska batterierna också bli mindre och lättare.

Stora ansträngningar koncentreras på katoden, den positiva elektroden. Den är den dyraste komponenten i battericellen och det är också den som ofta innehåller kobolt, som till stor del bryts under farliga förhållanden i Kongo-Kinshasa.

Läs mer: Nya kemier ger hopp om bättre batterier

På Ångströmlabb i Uppsala har forskare satsat på att höja spänningen i battericellen med så kallade högvoltskatoder. För om spänningen ökar så höjs också cellens energiinnehåll.

”Vi upptäckte att många lösningar inte fungerar”

Forskargruppen hyser gott mod om att få upp spänningen i litiumjoncellen från dagens cirka 4 volt till 4,7 volt. Det låter kanske inte mycket, men skulle ge ungefär tio procents längre räckvidd för en elbil.

Liksom i flera andra forskningsprojekt är det katodmaterialet LNMO som används för att försöka höja spänningen. Beteckningen står för litium, nickel, mangan och syre. Flera europeiska projekt har nyligen dragit igång kring katodtypen.

Problemet är att materialet är väldigt reaktivt. Cellen blir instabil och elektroden riskerar att brytas ned av reaktioner med elektrolyten, särskilt i temperaturer över 50 grader Celsius. Därför finns ännu inga LNMO-batterier på marknaden.

Men flera olika lösningar på stabilitetsproblemet har föreslagits.

– Lösningar presenteras i vetenskaplig litteratur flera gånger varje år. Men vi upptäckte att många av dessa inte fungerar om man skalar upp och bygger en riktig battericell. Det beror på att man egentligen inte har förstått de bakomliggande problemen, säger Daniel Brandell, professor i materialkemi.

Lösningen: Ny elektrolyt och nanotunn plastbeläggning

Det var Burak Aktekin som knäckte koden i sin doktorsavhandling. Han kom fram till att instabiliteten orsakas av flera saker. Dels är den karbonatbaserade elektrolyten inte lämplig för hög spänning, dels är materialstrukturen i LNMO-katoden instabil. När elektrolyt och katod kommer i kontakt med varandra börjar katodmaterialet brytas ned på ytan och sedan äter sig nedbrytningsprocessen allt längre in.

– Burak har gjort jättemånga studier och på ett väldigt snyggt sätt kombinerat olika typer av materialanalysmetoder tillsammans med elektrokemisk karaktärisering för att verkligen bena ut vad som är problemet, berättar Daniel Brandell.

Läs mer: Så mycket ökade koboltefterfrågan till elbilsbatterier

Och vet man vad problemet är blir det lättare att hitta en lösning som fungerar. Forskningsgruppen arbetar nu med två spår. Girish Salian, postdoktor, försöker ersätta dagens elektrolyt med en organisk lösning som innehåller svavel. Doktoranden Alma Mathew jobbar med att ta fram en nanotunn plastbeläggning ovanpå katodmaterialets partiklar för att hindra nedbrytningen.

– Om vi stabiliserar ytan kommer den nedbrytande processen aldrig få chans att äga rum, säger Daniel Brandell.

”Finns hur mycket som helst av kemisk ingenjörskonst”

Forskargruppen tror att båda spåren behövs för att skapa en stabil battericell.

– Vi har lovande resultat men har inte publicerat dem än. Jag är säker på att vi kommer att bidra till lösningen för den här typen av material, säger Daniel Brandell.

Arbetet finansieras av industrin. Det danska materialföretaget Haldor Topsøe betalar Girish Salians forskning, medan Scania och Volkswagen står för Alma Mathews arbete.

Läs mer: Digitalt hållbarhetspass för batteritillverkning kan bli klart 2022

Redan om ett eller två år tror Daniel Brandell att stabiliteten i LNMO-celler kommer att vara löst så att kemin finns i kommersiella batterier. Men det dröjer innan LNMO kan utmana NMC som fordonstillverkarnas huvudalternativ.

– Det är fortfarande mycket finjustering som kommer att behövas för LNMO. Man kan skräddarsy ytkemin, jobba med dopning, partikelstorlek och hur hela elektroden sätts samman. Det finns hur mycket som helst av kemisk ingenjörskonst som kan göras på cellnivå, säger han.

”Svagheten kommer att vara ett snabbt åldrande”

Katodmaterialet LNMO är en så kallad spinell, vilket innebär att dess atomer är ordnade i en tredimensionell kristallstruktur. I en battericell kan därför litiumjonerna röra sig i alla tre dimensioner, vilket gör att de snabbt kan komma in i och ut ur materialet. En cell med LNMO går därför mycket snabbare att ladda upp och ur än dagens litiumjonceller, som i stället består av så kallade lagrade oxider. I till exempel NMC och NCA kan litiumjonerna bara röra sig i två dimensioner eftersom molekylerna ligger i lager ovanpå varandra.

Om forskarna löser stabilitetsproblemet med LNMO-celler kan alltså batteritypen leda till elbilar som kan laddas snabbare än i dag eller fordon som kan hålla höga hastigheter under lång tid. Daniel Brandell tror också att LNMO kan lämpa sig för tyngre fordon, till exempel arbetsmaskiner, som behöver hög effekt under en begränsad del av användningen.

– I arbetsmaskiner kan man kanske tänka sig att byta ut batteripacket när det har tjänat ut. Då kanske det blir mer attraktivt att ha ett batteri som prestandamässigt fungerar bättre men under kortare tid, säger han.

Så du räknar inte med att en LNMO-cell ska leva lika länge som en NMC-cell?

– Nej, svagheten kommer att vara stabilitetsproblemen och ett snabbt åldrande. Att vi kommer att lösa problemet på något sätt innebär inte en artskillnad utan en gradskillnad, säger Daniel Brandell.

Flera typer av litiumjonbatterier

De olika typerna av litiumjonbatterier brukar benämnas efter sammansättningen av det aktiva materialet i katoden. Den vanligaste typen i elbilar är NMC och NCA. Vanligast i mobiltelefoner och bärbara datorer är LCO.

NMC står för nickel, mangan och kobolt.

NCA står för nickel, kobolt och aluminium.

LFP står för litium, järn och fosfat.

LCO står för litium, kobolt och syre.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt