Mellanlager kan göra elbilsbatterier betydligt bättre
Bilindustrin storsatsar på att eldrivna fordon ska drivas med så kallade solid state-batterier. Nu presenterar forskare på Chalmers och Xi’an Jiaotong-universitetet i Kina ett sätt som tar det lovande batterikonceptet närmare en storskalig produktion. Med hjälp av ett bredbart mellanlager i batteriet blir strömtätheten tio gånger så hög, samtidigt som både prestandan och säkerheten förbättras markant.
De nya resultaten presenterades nyligen i den ansedda vetenskapliga tidskriften Advanced Functional Materials.
– Mellanlagret gör att battericellen blir betydligt mer stabil och därför klarar hög strömtäthet. Det är också avgörande att det är så enkelt att breda ut den mjuka massan på litummetallen i batteriet. Det är lika lätt som att bre smör på en smörgås, säger forskaren Shizhao Xiong på institutionen för fysik på Chalmers.
Han har under lång tid arbetat tillsammans med Chalmersprofessor Aleksandar Matic och Professor Songs forskargrupp i Xi’an för att få fram ett lämpligt mellanlager till det batterikoncept som tros kunna revolutionera våra transporter. Till skillnad från dagens litiumjonbatterier har solid state-batterier en fast elektrolyt och innehåller därför ingen miljö- eller brandfarlig vätska.
Mycket förenklat kan ett solid state-batteri liknas vid en torr macka. Ett lager av metallen litium fungerar som brödskiva och ovanpå läggs ett keramiskt ämne som fungerar som pålägg. Det hårda pålägget är batteriets fasta elektrolyt som ska transportera jonerna mellan batteriets plus och minuspoler. Den torra smörgåsen har inte bara svårt att hålla ihop på ett bra sätt, den bjuder också på allvarliga former av skav mellan bröd och pålägg. Ett stort antal forskare runtom i världen arbetar därför med att ta fram lämpliga mellanlager som kan förbättra egenskaperna, öka strömtätheten och höja säkerheten.
Saknas ett sätt att få batterierna stabila
Den bredbara massa som forskarna i Göteborg och Xi’an nu presenterar fungerar som ett supersmör. Massan består av nanopartiklar av den keramiska elektrolytens material, LAGP, som har blandats med en jonisk vätska som kapslar in nanopartiklarna och gör mellanlagret mjukt och skyddande. Massan har ungefär samma konsistens som kylskåpskallt smör, fyller flera funktioner och breds på med hjälp av ett enkelt verktyg.
Även om solid state-batteriernas potential är mycket välkänd, saknas det än så länge ett etablerat sätt att få dem tillräckligt stabila, speciellt vid hög strömtäthet när man tar ut mycket energi snabbt ur en battericell. Chalmersforskarna ser en stor potential i det nya mellanlagret.
– Det här är ett viktigt steg på vägen mot att storskaligt kunna tillverka kostnadseffektiva, säkra och miljövänliga batterier som levererar hög kapacitet och kan laddas upp och ur i snabb takt, säger Aleksandar Matic, professor på institutionen för fysik på Chalmers.
Han spår att solid state-batterier kommer att finnas på marknaden inom fem år.
Vetenskaplig artikel:
Design of a Multifunctional Interlayer for NASCION Based Solid State Li Metal Batteries.,Advanced Functional Materials .
Artikeln är skriven av Shizhao Xiong, Yangyang Liu, Piotr Jankowski, Qiao Liu, Florian Nitze, Kai Xie, Jiangxuan Song och Aleksandar Matic. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Xi’an Jiaotong University, Kina, Danmarks tekniska universitet och National University of Defense Technology, Changsha, Hunan, Kina.
Kontakt:
Shizhao Xiong, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, shizhao.xiong@chalmers.se
Aleksandar Matic, professor, institutionen för fysik, Chalmers, matic@chalmers.se
