Nya rön kan ge stabilare och säkrare metallbatterier
Metallbatterier har potential att leverera mer energi, till en lägre vikt, än det populära litiumjonbatteriet. Problemet är att teknologin idag har för kort livslängd eftersom litiummetallen i dessa batterier är väldigt reaktivt. Nya forskarrön från Chalmers visar var problemen ligger och hur man kan komma runt dem genom att skapa metallelektroden direkt i battericellen.
Litiumjonbatterier är idag det populäraste batterialternativet, men i ett samhälle som står inför en omfattande elektrifiering behövs nya batteriteknologier som kan ge mer energi per vikt eller volym. Det är betydelsefullt för utvecklingen av elbilar med längre räckvidd eller elflyg avsedda för kortare sträckor. Därför riktas nu blickarna mot batterier med metallelektroder, där litiumjonbatteriets grafitelektrod ersatts av litiummetall. I exempelvis fastfasbatterier, som ses som en av de mest lovande kommande teknologierna, används en metallelektrod och det ger celler som levererar en större mängd energi än dagens litiumjonbatteri. Men, metallelektroder dras med ett problem – metallerna är reaktiva vilket gör att de lätt reagerar med sin omgivning och det är svårt att skapa en cell med lång livslängd.
Metallbatterier är ett av fokusområdena för professor Aleksandar Matic forskargrupp på institutionen för fysik på Chalmers. Som första forskarlag har de tidigare med hjälp av 3D-röntgen lyckats följa hur litiumet i ett litiummetallbatteri beter sig i realtid under drift. Dessa experiment har lett till nya kunskaper om det avgörande problem som uppstår i batteritypen – nämligen att litiumet bildar ojämna strukturer vid upp- och urladdning vilket i sin tur påverkar dess stabilitet.
Undviker ytlager som skadar batteriet
Det är insikter som de byggt vidare på. Nyligen presenterade de forskningsresultat om metallbatterier i den vetenskapliga tidskriften Journal of The Electrochemical Society som visar hur man på ett enkelt sätt kan undvika att få ett ytlager på de reaktiva elektroderna, som i det långa loppet skadar batteriet. Deras resultat ger en fingervisning om framtida strategier för att göra metallbatterier både stabilare och säkrare.
– Vi arbetar i en mycket inert miljö, men till och med där hittar metallerna något att reagera med och ett ytskikt bildas på metallen, vilket påverkar hur metallerna beter sig i batterierna. Vi har dock sett att det faktiskt går att undvika dessa reaktioner med väldigt enkla medel. Istället för att hantera de reaktiva elektrodmaterialen utanför batteriet skapar vi vår elektrod inuti batteriet genom en process som kallas elektroplätering. Då kan vi undvika att den reaktiva metallen reagerar med omgivningen, vilket är en fördel då vi får en mer förutsägbar och stabil elektrod, säger fysikdoktoranden Josef Rizell, som tillsammans med Aleksandar Matic är huvudförfattare till den nyligen publicerade artikeln.
Hittar lovande strategier för batteriets prestanda
– En grundläggande förståelse för processerna som sker i och vid elektroderna i ett batteri när vi laddar och laddar ur det, är avgörande för att kunna utveckla bättre batterier i framtiden. Ett batteri är väldigt komplext och många olika saker sker parallellt med varandra, vilket gör systemet svårt att analysera. Vi har försökt isolera varje reaktion eller process för sig och undersökt hur just den processen påverkar batteriets funktion. Syftet är att bättre förstå vad som sker vid metallelektroderna när vi använder ett batteri och därigenom vilka strategier som är mest lovande för att få dem att fungera bättre, säger Josef Rizell.
Regeringssatsning på batterier
Studien är en av många som pågår inom batteriforskning på institutionen för fysik och Chalmers. Aleksandar Matic är Chalmers föreståndare för Compel, en satsning av regeringen som innebär ökade anslag för forskning och utbildning inom elektrifiering och batteriteknik vid Chalmers, Uppsala universitet och Lunds universitet.
– Den här typen av grundläggande forskning är viktig för att bana väg för nya batterikoncept och teknologier. Utan den så kan man bara pröva sig fram, som att orientera utan en karta. Här lägger vi grunden för framtida innovationer som bidrar till hållbar samhällsutveckling. Batterier är redan en central del av den utvecklingen och deras betydelse kommer bara att öka framöver, säger Aleksandar Matic.
Så skapas elektroden i batteriet:
Metall kan framställas elektrokemiskt genom en process som kallas elektroplätering. En spänning driver elektroner till en elektrod och metall bildas på elektrodens yta genom att elektronerna reagerar med joner från elektrolyten. När ett metallbatteri laddas upp är det genom just den här reaktionen. Samma process kan också användas för att framställa en metallelektrod direkt i battericellen. Genom att skapa metallelektroden inuti batteriet har metallen aldrig möjlighet att reagera med orenheter utanför batteriet och får ett bättre och mer stabilt ytskikt.
Mer om forskningen:
Forskningsresultaten presenteras i artikeln Electrochemical Signatures of Potassium Plating and Stripping, publicerad i Journal of The Electrochemical Society. Den är skriven av Josef Rizell, Wojciech Chrobak, Nataliia Mozhzhukhina, Shizhao Xiong och Aleksandar Matic.
För mer information, kontakta:
Aleksandar Matic, professor, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, matic@chalmers.se
031 772 51 76
Josef Rizell, doktorand, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, rizell@chalmers.se
Bilder kan laddas ner från Chalmers pressrum.