Tema

Optimerad laddning ger säkrare litiummetallbatterier

Förhoppningarna på nästa generations energitäta litiummetallbatterier är stora men säkerheten är ett problem. Forskare har därför tagit fram en konkret vägledning för hur batterierna ska laddas och köras för att maximera effektiviteten och minimera risken för kortslutningar.

Litiummetallbatterier är ett av flera lovande koncept som på sikt kan ersätta dagens litiumjonbatterier, inte minst i olika typer av elfordon såsom bilar, scootrar och cyklar.

Många fördelar men även risker

Den stora fördelen med den nya batteritypen är att energitätheten kan bli väsentligt högre. Det beror på att battericellens ena pol, anoden, består av en tunn folie av ren litiummetall istället för att metallen lagras i grafit, som i litiumjonbatterier. Utan grafit ökar andelen aktivt material i battericellen och passiva komponenter som kol försvinner. Det gör susen för energitätheten och bidrar även till att minska vikten. Med litiummetall som anodmaterial blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet även vid battericellens andra pol, katoden. Då går det att få celler med tre till fem gånger så hög energitäthet som idag. Det stora problemet är dock säkerheten.

Säkrare upp- och urladdning en nyckelfaktor

I två nyligen publicerade vetenskapliga artiklar i de ansedda tidskrifterna Advanced Energy Materials och Advanced Science beskriver nu forskare från Chalmers, tillsammans med kollegor i Ryssland, Kina och Korea, hur litiummetallen kan användas på ett optimalt och säkert sätt. Det går ut på att metallen vid laddning av batteriet fördelar sig så att den blir tät och inte bildar vassa nålar – dendriter – som riskerar att kortsluta och i värsta fall antända batteriet. Säkrare upp- och urladdning är alltså en nyckelfaktor.

– Kortslutning i litiummetallbatterier beror oftast på att metallen lägger sig ojämnt vid cykling och att det bildats dendriter på anoden. De utstickande nålarna gör att anoden kommer i direkt kontakt med katoden. Därför är det avgörande att kunna undvika att sådana bildas. Där kan vi nu bidra med viktig vägledning, säger forskaren Shizhao Xiong på institutionen för fysik på Chalmers.

Optimerad laddning ger säkra och effektiva batterier

Det finns ett antal olika faktorer som styr hur litiumet fördelar sig på anoden och forskarna har tagit fram en konkret vägledning för hur litiumet kan fördela sig optimalt utifrån parametrar som strömtäthet, temperatur och koncentrationen av joner i elektrolyten.

Illustrationen visar en vägskylt med tre olika skyltar som säger: Rätt strömtäthet, Rätt temperatur och Rätt jonkoncentration.

I den elektrokemiska processen vid laddning påverkas litiummetallens struktur främst av strömtätheten, temperaturen och koncentrationen av joner i elektrolyten. Bild: Yen Strandqvist, Chalmers.

Forskarna har använt både simuleringar och experiment för att komma fram till hur laddningen kan optimeras utifrån dessa parametrar. Syftet är att skapa en tät och bra struktur på litiummetallanoden.

– Det är en svår utmaning att få jonerna i elektrolyten att placera sig på exakt rätt plats när de blir litiumatomer vid laddning. Den nya kunskapen om hur processen går att styra utifrån olika förutsättningar bidrar till både säkrare och mer effektiva litiummetallbatterier, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik på Chalmers.

Om studien:

Det internationella forskarsamarbetet mellan Sverige, Kina, Ryssland och Korea leds av professor Aleksandar Matic och forskaren Shizhao Xiong vid institutionen för fysik på Chalmers. Forskarna är verksamma vid, Lomonosov Moscow State University, Ryssland, Xi’an Jiaotong University i Kina, Chonnam National University och Hanyang University i Korea samt vid Chalmers tekniska högskola, Forskningen i Sverige finansieras av FORMAS, STINT, EU och Chalmers styrkeområden.

Vetenskapliga artiklar:

Role of Li‐Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode, (Xieyu Xu, Yangyang Liu, Jang‐Yeon Hwang, Olesya O. Kapitanova, Zhongxiao Song, Yang‐Kook Sun, Aleksandar Matic och Shizhao Xiong), Advanced Energy Materials.

Insight into the Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behaviour of Lithium Metal, (Yangyang Liu, Xieyu Xu, Matthew Sadd, Olesya O. Kapitanova, Victor A. Krivchenko, Jun Ban, Jialin Wang, Xingxing Jiao, Zhongxiao Song, Jiangxuan Song, Shizhao Xiong och Aleksandar Matic), Advanced Science.

Kontakt:

Shizhao Xiong, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, shizhao.xiong@chalmers.se 
Aleksandar Matic​, professor, institutionen för fysik, Chalmers, matic@chalmers.se

Nästa generations batterier

Det finns ett flertal batterikoncept som forskarna på sikt hoppas ska kunna ersätta dagens litiumjonbatterier. Fastfasbatterier, litiumsvavelbatterier och litiumsyrebatterier är tre exempel som ofta lyfts fram. I alla dessa koncept behöver litiummetall användas på anodsidan för att matcha kapaciteten i katoden och maximera energitätheten i cellen.

Målet är att få fram energitäta och säkra batterier som tar oss längre till en lägre kostnad – både ekonomiskt och miljömässigt. Än så länge bedömer forskarna att genombrottet för nästa generations batterier ligger minst tio år bort.

På Chalmers bedrivs forskning inom en rad projekt inom batteriområdet och forskarna deltar i både nationella och internationella samarbeten och är del av den stora europeiska satsningen 2030+ i projektet BIGMAP​.

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Optimerad laddning ger säkrare litiummetallbatterier

 lästid ~ 4 min