Ny metod: Så minskar risken för brand i framtidens batterier

2021-01-20 06:00  

Stora förhoppningar knyts till energitäta litiummetallbatterier. Problemet är hur de ska bli säkra. Nu har Chalmersforskare tagit fram ett sätt att undvika kortslutning.

Litiummetallbatterier är ett lovande koncept som på sikt kan ersätta dagens litiumjonbatterier, till exempel i olika typer av elfordon.

Den stora fördelen är att litiummetallbatterier kan få väsentligt högre energitäthet. Det beror på att battericellens ena pol, anoden, består av en tunn folie av ren litiummetall i stället för att metallen lagras i grafit som i litiumjonbatterier.

Utan grafit ökar andelen aktivt material i battericellen och den passiva kolkomponenten försvinner. Det ökar energitätheten och bidrar även till att minska vikten.

Med litiummetall som anodmaterial blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet även vid battericellens andra pol, katoden. Då går det att få celler med tre till fem gånger så hög energitäthet som i dag.

Tricket är jämn fördelning av litium på anoden

Det stora problemet med litiummetallbatterier är säkerheten. Vid laddning av batteriet kan litiumet lägga sig ojämnt på anoden så att vassa nålar, så kallade dendriter, bildas. Dessa nålar kan sticka hål på separatorn och orsaka kortslutning. Då riskerar batteriet att börja brinna.

Läs mer: Northvolts väg mot att bli en batterijätte

Nu har forskare från Chalmers tillsammans med kollegor i Ryssland, Kina och Korea publicerat två studier som beskriver hur litiummetallbatterier kan laddas och laddas ur på ett säkrare sätt, så att dendriter inte bildas. Tricket är att se till så att metallen fördelar sig kompakt och tätt på anoden vid uppladdning.

– Det är en svår utmaning att få jonerna i elektrolyten att placera sig på exakt rätt plats när de blir litiumatomer vid laddning, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik på Chalmers till Ny Teknik.

Forskarna har studerat hur tre parametrar påverkar litiummetallens struktur: Strömtäthet, temperatur och koncentrationen av litiumjoner i elektrolyten.

”Man kanske kan hitta en ”sweet spot” för nya elektrolyter”

En hög koncentration av litiumjoner i elektrolyten var bra för att åstadkomma ett jämnt lager av litiumatomer på anoden. Men vid en låg temperatur gick jontransporten långsamt, vilket skapade risk för dendritbildning. Likaså kunde en hög strömtäthet leda till ett ojämnt lager på anoden.

Forskarna såg dock i simuleringar och experiment att de tre parametrarna kan justeras så att de kompenserar för varandra.

– Vill man ha en snabb uppladdning och en hög strömstyrka måste man se till att höja upp temperaturen lite. Eller ha en hög koncentration av joner i elektrolyten, säger Aleksandar Matic.

Läs mer: Nya bilen klarar 100 mil tack vare fast elektrolyt 

Sedan tidigare är det känt att högkoncentrerade elektrolyter ger en jämn fördelning av litiumatomer på anoden i ett litiummetallbatteri. Men det är ändå här som Aleksandar Matic tror att de nya forskningsresultateten röner störst kommersiellt intresse.

– Våra resultat kan användas i en strategi för att ta fram nya elektrolytformuleringar. Högkoncentrerade elektrolyter är mer viskösa, vilket inte är bra, men det kanske kan kompenseras med högre temperatur. Man kanske kan hitta en ”sweet spot” för hur man använder nya elektrolyter så att man kan få till litiummetallbatterier, säger han.

Forskarnas studier har publicerats i Advanced Science och Advanced Energy Materials.

”Jätteroligt att kommersiella aktörer vågar satsa”

Det finns flera olika batterikoncept som forskarna på sikt hoppas ska ersätta dagens litiumjonbatterier. Fastfasbatterier, litiumsvavelbatterier och litiumluftbatterier är tre vanliga exempel. I alla dessa koncept behöver litiummetall användas på anodsidan för att matcha kapaciteten i katoden och maximera energitätheten i cellen.

Målet är energitäta och säkra batterier till en lägre kostnad än i dag - både ekonomiskt och miljömässigt. Men än så länge bedömer Chalmersforskarna att genombrottet för nästa generations batterier ligger minst tio år fram i tiden.

I näringslivet har dock flera företag uttalat ambitioner i en betydligt närmare framtid. Ett exempel är amerikanska Quantumscape, som satsar på en ny typ av litiummetallcell med fastfaselektrolyt. Bolagets mål är att det nya batterikonceptet ska finnas i Volkswagenbilar år 2025.

Quantumscape har publicerat vissa detaljer kring sin teknik, men Aleksandar Matic tycker att det är svårt att bedöma bolagets möjligheter.

– Det är jätteroligt att det finns ett antal kommersiella aktörer som vågar satsa på metallanoder. Kanske kan utvecklingen gå fortare än tio år. Men frågan är fortfarande exakt vad de gör, är det verkligen en elektrolyt helt utan vätska, till vilken tillämpning och till vilket pris, 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