”Viktigt framsteg” mot dubbel energitäthet i batterier

2022-04-13 07:00  

Många hoppas att fastfas-batterier ska slå dagens batterier med hästlängder. Men små fickor av koldioxid i cellen kan orsaka problem. Nu visar amerikanska forskare ett bättre sätt att tillverka batterierna.

Battericeller där elektrolyten är i fast fas, så kallad solid state, är en extremt hajpad batteriteknik. Flera biltillverkare har gett sig in i satsningar på batteritypen, bland andra Toyota och Volkswagen.

Förhoppningen är att batterierna ska nå en energitäthet om cirka 500 Wh/kg, vilket är ungefär dubbelt så mycket som dagens litiumjonbatterier. Samtidigt ska solid state-batterier kunna bli säkrare och hålla längre.

Prestandaförbättringen beror framför allt på att anoden består av metalliskt litium i stället för grafit. Laddkapaciteten i materialet är ungefär tio gånger högre än i dagens litiumjonbatterier.

Litiummetallbatteri.

Men det har inte varit så enkelt att få fastfas-batterier att fungera i praktiken. Ett problem har varit instabilitet i kontaktytan mellan den fasta elektrolyten och de båda elektroderna. Sådan instabilitet kan leda till att cellen får en mycket kort livstid.

Koldioxid ger dramatisk effekt

Ett sätt att undvika problemet är att placera polymerbeläggningar mellan elektrolyten och elektroden. Men då behövs ett extra steg i tillverkningsprocessen.

Nu har en grupp amerikanska forskare kommit på ett sätt att nå samma resultat utan polymerbeläggning.

Forskarna riktade in sig på det steg som kallas sintring, som innebär att den keramiska elektrolyten pressas ihop med elektroden vid hög temperatur. De kom på att om sintring görs i en miljö där det finns koldioxid i luften, även i extremt låga halter, blir effekten dramatisk och skadlig. Då ökar motståndet i kontaktytan, vilket gör det svårare för litiumjonerna att röra sig i battericellen.

Men om sintringen i stället utförs i ren syrgas skapas en kontaktyta som är precis lika bra som polymerbeläggning, men utan den extra kostnaden av ett sådant lager, enligt forskarna.

Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Energy Materials.

”Gott steg på vägen”

Forskargruppen fortsätter nu att studera hur kontaktytan klarar sig över tid, när battericellen laddas upp och ur många gånger. Men den nya upptäckten skulle snabbt kunna användas i batteriproduktion, enligt forskaren Bilge Yildiz vid MIT.

– Vad vi föreslår är en ganska enkel process i celltillverkningen. Det kräver inte mycket extra energi vid tillverkningen. Så vi tror att det kan användas relativt enkelt i tillverkningsprocessen, säger hon i ett pressmeddelande.

Den extra kostnaden för att sintra i syrgas är försumbar, enligt forskarnas beräkningar.

Daniel Brandell. Foto: Staffan Claesson

Daniel Brandell, batteriforskare på Uppsala universitet, tycker att den amerikanska forskargruppen har gjort ett viktigt framsteg.

– Kan man göra en bättre process, och den är lätt att tillämpa och billig och inte orsakar sidoreaktioner, då kan det vara ett gott steg på vägen, säger han.

”Oväntade problem dyker upp”

Just keramer är en vanlig fastfas-elektrolyt som många arbetar med. Ett annat alternativ är polymer-elektrolyter.

Daniel Brandell har noterat att det har tagit längre tid än förväntat att få ut fastfasbatterier på marknaden.

– Det handlar om lite oväntade problem som dyker upp, till exempel gaser som bildar resistiva skikt. Det är områden man måste jobba med både processmekaniskt och processkemiskt, och den här forskningen är ett bidrag till det. Det behövs säkert tusen sådana här artiklar och upptäckter till så kanske vi är framme, säger han.

Linda Nohrstedt

Mer om: Batterier

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