Bredbart mellanlager ger stabila fastfas-batterier

2020-05-19 16:30  

Framtidens fastfas-batterier ska slå dagens litiumjonkemi med hästlängder. Problemet är att få dem stabila. Ett bredbart mellanlager från Chalmers kan vara lösningen.

Förhoppningarna kring framtidens fastfas-batterier, så kallad solid state, är enorma. De ska inte bara nå en högre energitäthet än dagens litiumjonbatterier. De ska också bli mindre, säkrare och nå en längre livslängd.

Men i praktiken har det inte varit så lätt. Med en elektrolyt i fast fas är det svårt att få tillräcklig kontakt mellan elektroder och elektrolyt så att litiumjonerna kan vandra emellan. Dessutom har elektrolyten reagerat med litiummetallen i anoden så att elektrolyten har brutits ned och batteriet slutar fungera.

Nu har en lösning presenterats av en grupp forskare från Chalmers, Kina och Danmark. De har utvecklat en bredbar smet som kan fungera som ett skyddande lager mellan anod och elektrolyt.

Forskarna Aleksandar Matic och Shizhao Xiong i batterlabbet på Chalmers. Foto: Mia Halleröd Palmgren/Chalmers

Smeten består av nanostora partiklar av elektrolyten, en oxid med litium, aluminium, germanium och fosfor, som har blandats med en jonisk vätska. Resultatet är en massa som har ungefär samma konsistens som kylskåpskallt smör.

20 gånger högre strömtäthet

Genom att vätskan kapslar in nanopartiklarna blir smeten mjuk och skyddande. Samtidigt låter den litiumjonerna vandra igenom.

– Mellanlagret skapar en buffert mellan elektrolyten och anoden så att elektrolyten inte bryts ned. Ändå påverkar inte mellanlagret elektrolytens och anodens egenskaper. Det blir kompatibelt och fint, säger Aleksandar Matic, professor i fysik vid Chalmers.

Forskarna tillverkade ett tiotal battericeller i labbet och lät dem gå igenom 200 laddcykler. Nedbrytningen blev minimal.

Läs mer: Ett stort framsteg för litiumsvavelbatterier

Tack vare det skyddande mellanlagret klarade cellerna 20 gånger högre strömtäthet, 2 mA per kvadratcentimeter jämfört med 0,1 mA per kvadratcentimeter som tidigare har rapporterats i forskningslitteraturen.

– Man behöver använda högre strömtäthet i riktiga tillämpningar. Mycket av den forskning som har gjorts på fastfas-batterier har handlat om så låg strömstyrka så det inte går att göra ett riktigt batteri av det, säger Aleksandar Matic.

”Behöver komma ner i tjocklek”

Forskargruppen tycker att deras mellanlager är en lovande lösning. Eftersom lagret är bredbart borde det vara hyfsat enkelt att använda i industriprocesser för att tillverka battericeller i stor skala.

Men Aleksandar Matic ser inte forskningsresultatet som den slutliga, eller enda, lösningen. Och även med deras koncept återstår en del att visa. Cellerna borde till exempel genomgå fler cykler, minst 1 000, för att bevisa att stabiliteten står sig över tid.

– Jag skulle tro att man behöver komma ner i tjocklek i mellanlagret också. Vi hade ett lager om 20 mikrometer och man skulle nog behöva nå under 10 mikrometer. Ju tunnare det blir desto mindre väger det och tar mindre utrymme i anspråk, säger Aleksandar Matic.

Samsunglösning ”elegant” och ”fräck”

För inte så länge sedan rapporterade Ny Teknik om en annan lösning på problemet med fastfas-batterier. Samsung har presenterat en battericell där anoden av litiummetall har ersatts av en komposit av kol och silver. Aleksandar Matic kallar Samsungs lösning för både ”elegant” och ”fräck”.

Vilket koncept är bäst, ert eller deras?

– Jag tycker att vårt verkar bra men deras är intressant också. Det var superkul att se det. Vårt bygger på att vi använder litiummetall som vi skyddar, medan deras koncept inte bygger på litiummetall utan allt litium finns i katoden. Det är två olika approacher, säger han.

Forskningsresultaten om det bredbara mellanlagret har publicerats i tidskriften Advanced Functional Materials.

Forskargruppens battericeller

De celler som utvärderades bestod av en anod av litiummetall, en elektrolyt i form av en keram (en så kallad LAGP, som består av litium-, aluminium-, germanium- och fosforoxid), samt en LFP-katod (av litiumjärnfosfat).

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