Tema

Grafensvamp banar väg för litiumsvavelbatterierna

Många hoppas på litiumsvavelbatteriernas genombrott. Ett batteri som teoretiskt sett är fem gånger så energitäta som dagens litumjonbatterier. Nu har forskare vid Chalmers visat att så kallad grafensvamp kan skynda på utvecklingen.

Det finns höga förväntningar på framtidens batterier, men det krävs ny teknik för att kunna möta behoven. Chalmersforskare har nu med hjälp av av en porös och svampliknande aerogel som är baserad på grafen, så kallad grafensvamp, lyckats förbättra litiumsvavelbatteriers energiinnehåll och livslängd markant. Materialet fungerar som en fristående elektrod i battericellen och gör så att svavlet kan utnyttjas på ett bättre sätt.

Ett vanligt batteri består som regel av fyra delar: Det finns två bärande elektroder som är belagda med aktiva ämnen och kallas för anod och katod. Mellan dessa finns en så kallad elektrolyt, oftast en vätska, som gör så att joner kan överföras fram och tillbaka. Den fjärde komponenten är en separator som fungerar som en fysisk barriär. Den förhindrar att de två elektronerna får kontakt, samtidigt som den ser till att jonerna kan överföras.

I tidigare experiment har chalmersforskarna lyckats kombinera katoden och elektrolyten till en vätska, en så kallad katolyt. Med hjälp av denna kan batteriet bli lättare, få bättre energikapacitet och kortare laddningstid. De nya experimenten med grafenbaserad aerogel, så kallad grafensvamp, har visat att katolytmetoden är mycket lovande.

Skär grafensvampen som en salami

För att få den önskade effekten börjar forskarna med att lägga ett tunt lager av den porösa aerogelen av grafen på ett vanligt knappbatteri.

– Du tar grafensvampen, i form av en lång tunn cylinder, och sedan skär du den som en salami. Du tar en skiva och pressar ihop den så att den går att integrera i battericellen, säger Carmen Cavallo som är forskare på institutionen för fysik på Chalmers.

Sedan tillsätts en svavelrik lösning – katolyt – till batteriet. Lösningen sugs upp av den superporösa grafensvampen.

– Det är den porösa strukturen i aerogelen som gör det möjligt. Den lyckas suga upp stora mängder vätska och gör därmed katolytmetoden användbar. Eftersom svavlet redan är upplöst i vätskan går inget förlorat i den processen. Svavlet kan färdas fritt fram och tillbaka och vi kan utnyttja det på ett mer effektivt sätt, säger Carmen Cavallo.

Så här ser litiumsvavelbatteriet ut. Den mycket porösa grafensvampen suger upp den svavelrika vätskan. Metoden bygger på att svavlet utnyttjas på ett bättre sätt så att batteriet får mycket högre energiinnehåll och ökad livslängd. Bild: Yen Strandqvist, Chalmers

En del av katolytlösningen appliceras också på separatorn, för att den ska kunna göra sitt jobb. Samtidigt maximeras svavelhalten i batteriet.

Idag är det oftast litiumjonbatterier som används i allt ifrån mobiltelefoner till elbilar. För att kunna göra framtidens batterier riktigt effektiva och kraftfulla behövs nya kemiska mekanismer.

Fördelarna med ett litiumsvavelbatteri

Litiumsvavelbatterier har flera fördelar – bland annat sin höga energitäthet. Medan de bästa litiumjonbatterier som finns på marknaden idag levererar ungefär 300 wattimmar per kilo, kan ett litiumsvavelbatteri teoretiskt sett ge 1000–1500 wattimmar per kilo. Det skulle alltså kunna bli nästan tre till fem gånger så effektivt.

– Svavel är dessutom billigt, lättillgängligt och mycket mer miljövänligt. I det koncept vi har tagit fram behövs inte heller något fluor i batteriet. Det miljöskadliga ämnet förekommer däremot i dagens litiumjonbatterier, säger Aleksandar Matic som är professor på institutionen för fysik på Chalmers och leder gruppen som tagit fram de nya resultaten med grafensvamp.

Batterierna kräver nya tillverkningsprocesser

Problemet med dagens litiumsvavelbatterier är att de än så länge är alltför instabila och dessutom har kort livslängd. Den grafenbaserade prototyp som chalmersforskarna tagit fram har däremot visat sig fungera betydligt bättre än sina nutida släktingar. Efter 350 laddningar har det fortfarande kvar 85 procent av sin ursprungliga kapacitet.

Det beror på att man lyckas undvika två huvudproblem: att svavel löser upp sig i elektrolyten och går förlorat, samt att svavelmolekyler tar sig från katoden till anoden och blir inlåsta.

Även om resultaten är lovande tar det sin tid innan ny teknik kan börja användas ute i samhället.

– Det är en lång resa innan den här typen av batterier kan nå marknaden. Eftersom de produceras på ett helt annat sätt än dagens batterier, krävs det nya tillverkningsprocesser innan de kan slå igenom kommersiellt, säger professor Aleksandar Matic.

Vetenskapliga artikel:
A free-standing reduced graphene oxide aerogel as supporting electrode in a fluorine-free Li2S8 catholyte Li-S battery, Journal of Power Sources.

Vad är elektronmikroskopi?

Elektronmikroskopi är ett samlingsnamn för olika typer av mikroskopi där man använder elektroner i stället för elektromagnetisk strålning för att få fram bilder av mycket små objekt. Med hjälp av denna teknik kan man komma förbi det synliga ljusets upplösningsgräns, vilket gör det möjligt att studera enskilda atomer.

På Chalmers materialanalyslaboratorium (CMAL) finns avancerade instrument för materialforskning. För att undersöka grafensvampens materialstruktur använde sig forskarna av ett nytt och avancerat så kallat transmissionselektronmikroskop på CMAL. Laboratoriet ligger formellt under institutionen för fysik men är öppet för alla forskare från universitet, institut och industri.

Den 15 maj 2019 invigs ett nytt gigantiskt elektronmikroskop på Chalmers materialanalyslaboratorium. Det är tungt som en elefant och har tagit ett år att installera och justera. Läs mer om invigningen. Your text

 

 

Kontakt:
Carmen Cavallo, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, carmen.cavallo@chalmers.se
Aleksandar Matic, professor, institutionen för fysik, Chalmers, matic@chalmers.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Grafensvamp banar väg för litiumsvavelbatterierna

 lästid ~ 4 min