Litium blir återaktiverat – kan förlänga livet på batterier

2022-01-19 06:00  

Inaktivt litium i batterier kan väckas till liv igen och börja ”krypa som en mask”. På så sätt kan litiummetallbatterier få 30 procent längre livslängd, menar forskare i USA.

Forskningen handlar om uppladdningsbara litiummetallbatterier. Det är en batteriteknik som länge har hägrat som en möjlighet att slå dagens litiumjonbatterier med hästlängder.

Med metalliskt litium i stället för grafit i anoden blir laddkapaciteten i materialet ungefär tio gånger högre. Problemet är att materialet också är väldigt reaktivt. Batterierna har haft problem med taggiga utväxter, så kallade dendriter, på anoden, som ökar nedbrytningen av elektrolyten och riskerar att kortsluta batteriet om separatorn punkteras.

Men när batteriet används löser också delar av dendriterna upp sig och bildar små öar av inaktivt litium i elektrolyten. Litiumet i öarna tappar kontakten med elektroderna, vilket gör att batteriets förmåga att lagra laddning minskar.

”Återaktiverar litiumet så att det blir en del av batteriets liv”

Nu tror forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och Stanforduniversitetet i USA att de har upptäckt ett sätt att delvis återställa den oönskade processen. Nyckeln är att få det inaktiva litiumet att ”krypa som en mask” tillbaka till en elektrod och återfå kontakten.

– Vi upptäckte att vi kan flytta det isolerade litiumet mot anoden under urladdning, och dessa rörelser är snabbare vid hög strömstyrka. Så vi lade till ett snabbt urladdningssteg med hög strömstyrka precis efter att batteriet har laddats. Då flyttade sig det isolerade litiumet tillräckligt långt för att åter få kontakt med anoden. Det återaktiverar litiumet så att det kan bli en del av batteriets liv, säger Fang Liu, huvudförfattare till studien, på SLAC-laboratoriets hemsida.

När en ö av inaktivt metalliskt litium når någon av elektroderna och får kontakt aktiveras den igen. Då kan den bidra med elektroner till strömflödet och litiumjoner för att lagra laddning. Ön rör sig genom att metalliskt litium ansamlas i ena änden (blå) och löses upp i den andra (röd). Foto: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Forskarna tillverkade ett testbatteri med en NMC-katod (nickel, mangan och kobolt), en litiummetallanod och en isolerad litiumansamling i mitten. De kunde följa i realtid vad som hände inuti batteriet när det användes.

Genom det extra urladdningssteget minskade nedbrytningen i testbatteriet och livstiden ökade med nära 30 procent.

”Har alltid tänkt på isolerat litium som något dåligt”

Forskarna såg att den isolerade litiumansamlingen långsamt närmade sig katoden vid uppladdning och rörde sig mot anoden vid urladdning.

– Det är som en väldigt långsam mask som skjuter huvudet framåt och drar in svansen för att flytta sig nanometer för nanometer. I det här fallet förflyttar den sig genom att lösa upp sig i ena änden och deponera material i andra änden. Om vi kan få litium-maske

n att fortsätta röra sig kommer den till slut att nå anoden och återetablera den elektriska kontakten, säger Yi Cui, en av forskarna, på hemsidan.

Forskargruppen har validerat resultatet med flera testbatterier och genom datorsimuleringar. Studien har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature.

– Jag har alltid tänkt på isolerat litium som något dåligt, eftersom det gör att batterier bryts ned och till och med fattar eld. Men vi har upptäckt hur vi ska få det ”döda” litiumet att elektriskt återansluta till den negativa elektroden för att återaktivera det, säger Yi Cui.

”Kanske är detta inte lösningen”

Forskarna anser att resultaten kommer att få stor betydelse för utvecklingen av mer robusta litiummetallbatterier. Nu går de vidare med att undersöka möjligheten att ta tillbaka förlorad kapacitet på samma sätt i litiumjonbatterier.

Aleksandar Matic. Foto: Mia Halleröd Palmgren/Chalmers

Aleksandar Matic, professor vid institutionen för fysik på Chalmers, tycker att resultaten är intressanta och tankeväckande. Men han är osäker på om metoden fungerar i verkligheten:

– Som jag ser det är detta ett modellexperiment som är gjort med en bit litium placerad mellan elektroderna. Det är inte helt klart hur det kan översättas till ”dött litium” som bildas på elektroden när batteriet används.

Han tror dock att studien kan sporra mer forskning om hur litium kan återaktiveras i batterier.

– Kanske är detta inte lösningen, men det inspirerar, säger han.

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