Ny upptäckt ger hopp om högre batterikapacitet

Ett litiumjonbatteri laddas upp och ur genom att litiumjoner rör sig mellan två elektroder, anod och katod. I den vanligaste typen av litiumjonbatteri tillverkas anoden av grafit och katoden består av litiumkoboltoxid.

Forskare världen över strävar efter att ytterligare förbättra litiumjonbatteriernas prestanda och testar därför att använda andra material i elektroderna.

Ett spår är att använda vanadindisulfid i stället för koboltoxid i katoden. Det är något som forskare vid New York-institutet Rensselaer Polytechnic har undersökt.

– Det ger högre energidensitet, för materialet är lätt. Och det ger snabbare uppladdningsförmåga, för materialet har hög elektrisk ledningsförmåga. Därför lockades vi av materialet, säger professor Nikhil Koratkar vid Rensselaer Polytechnic till Science Daily.

Problemet med vanadindisulfid är att materialet är instabilt. Om det används i batterier blir livslängden kort.

Oförändrad kapacitet efter 400 laddcykler

Men Rensselaerforskarna ska ha kommit på en lösning. De upptäckte att instabiliteten berodde på asymmetri i mellanrummen mellan vanadinatomerna. Asymmetrin gjorde att flagorna av vanadindisulfid bröts sönder.

Genom att lägga ett nanolager av titandisulfid ovanpå flagorna av vanadindisulfid stabiliserades materialet.

– Det var nytt. Vi hade inte förstått att det var den underliggande orsaken. Titandisulfidlagret fungerar som ett buffertlager. Det håller ihop vanadindisulfidmaterialet och ger det mekaniskt stöd, säger Nikhil Koratkar.

Det gjorde att elektroden fick en längre livslängd. Efter 400 laddcykler var kapaciteten oförändrad.

När problemet var löst upptäckte forskarna att elektroden med både vanadindisulfid och titandisulfid kunde lagra en stor mängd energi per massenhet. Genom att vanadin och svavel är små och lätta atomer kan de ge en hög kapacitet och energidensitet men batteriet kan ändå bli litet och kompakt.

Resultaten har publicerats i Nature Communications och forskarna bedömer att upptäckten i framtiden kan leda till bättre batterier för elbilar, bärbar elektronik och energilager.

"Inte en lösning på dendritproblemet"

Kristina Edström, professor i oorganisk kemi vid Uppsala universitet, tycker att forskarna har kommit på en snygg lösning för att förbättra stabiliteten i vanadindisulfid. Men hon betonar att det är en lång väg kvar tills deras upptäckt leder till bättre litiumjonbatterier.

– Generellt sett kan vanadinoxider och sulfider lagra fler litiumjoner än litiumkoboltoxid och litiumnickelmangankoboltoxid, men de måste ha metalliska litiumanoder som motelektrod. Det innebär att de är säkerhetsmässigt känsligare, säger hon.

Problemet med metalliskt litium i anoden är att det kan bildas utväxter, så kallade dendriter, som kan leda till kortslutning och brand i batteriet.

– Titansulfidskiktet i katoden innebär tyvärr inte en lösning på dendritproblemet i anoden. Men skulle tillräckligt bra fasta elektrolyter kunna tillverkas kan detta bli ett bra batteri för framtiden. Vi är inte riktigt där än, säger Kristina Edström.