Så kan flaskhalsar i framtida batterier tas bort

Litiumsvavelbatteriet uppfyller mycket på önskelistan för framtida batterier. De tillverkas av billiga miljövänliga material och har större energiinnehåll än litiumjonbatterier. De fungerar även bra vid mycket låga temperaturer. Ett problem är dock energiförluster och kort livslängd.

I en ny vetenskaplig artikel har ett forskarteam i Uppsala kartlagt reaktioner som begränsar prestandan i batteriernas svavelelektrod, vilka i sin tur beror på vilken strömstyrka som tas ur batteriet.

Ett komplext batteri

Olika reaktionsprodukter som leder till olika former av tillkortakommanden bildas. Ofta uppstår en lokal brist på litium i delar av batteriet. Detta utgör en tydlig flaskhals.

– Det är genom kunskap om tillkortakommanden som vi kan utveckla nya strategier och nya material för att förbättra batteriernas prestanda. Det handlar om att identifiera de här flaskhalsarna, för att kunna ta nästa steg. Och det är en svår forskningsuppgift i ett så komplext batteri som litium-svavel, säger Daniel Brandell vid Uppsala universitet och Ångström Advanced Battery Centre.

Omfattande metoder kombineras

Studien bygger på att kombinera omfattande metoder där olika typer av strålningsspridning används, röntgenanalys i Uppsala, men inte minst med neutroner från stora forskningsanläggningar.

Experimenten utfördes delvis i Frankrike, men kan om några år göras även i Sverige när materialforskningsanläggningen ESS i Lund står klar.

– Detta visar på styrkan i att kunna använda den här infrastrukturen för att lösa de materialvetenskapliga problem vi står inför, säger Adrian Rennie vid Uppsala universitet och Ångströmslaboratoriet.

– Satsningarna på den här sortens instrumentering må vara kostsam, men är nödvändig för att kunna förstå så komplexa system som de här batterierna utgör. En mängd olika reaktioner sker parallellt, och material bildas och försvinner snabbt när batteriet arbetar, fortsätter han.

Samarbete med fordonstillverkare

Studien utfördes i samarbete med forskare på fordonstillverkaren Scania.

– Även den tunga fordonssektorn behöver elektrifieras, och inte bara personbilar. De måste följa med i utvecklingen av en rad olika batterier som snart kan bli högst relevanta, säger Daniel Brandell.

Vetenskaplig studie:

Correlations between precipitation reactions and electrochemical performance of lithium-sulfur batteries probed by operando scattering techniques, publicerad i Chem.

Kontakt:

Daniel Brandell, professor i materialkemi vid Uppsala universitet, daniel.brandell@kemi.uu.se

Adrian Rennie, professor vid institutionen för kemi, Uppsala universitet, adrian.rennie@kemi.uu.se