Batteriernas inre liv avslöjas – viktigt steg för nya lösningar

I jakten på nästa generations energitäta och resurssnåla batterier är litiummetallbatterier ett av flera lovande koncept. Förhoppningen är att den nya batteritypen ska ersätta dagens litiumjonbatterier, inte minst i olika typer av elfordon.

Fastfasbatterier, litiumsvavelbatterier och litiumsyrebatterier brukar till exempel lyftas fram som lovande alternativ.

Litium istället för grafit

Alla dessa koncept bygger på att den ena batteripolen, anoden, består av en tunn folie av metallen litium i stället för grafit som i dagens batterier. Utan grafit blir battericellen lättare. Med ren litiummetall på ena batteripolen blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet på den andra polen, katoden. Därmed kan tre till fem gånger så hög energitäthet uppnås.

Metallen litium kan bygga upp oönskade strukturer, som ser ut som fluffig mossa, i en battericell. Bild: Chalmers tekniska högskola

Litiumet bygger oönskade strukturer

Men litiummetallbatterier brottas med ett avgörande problem. När battericeller laddas upp, eller laddas ur, lägger sig litiumet inte alltid så slätt och tätt som det ska. Ofta bildar litiumet strukturer, som kan liknas vid fluffig mossa, där delar av formationen kan tappa kontakten och därmed bli inaktiv.

Ibland bildas i stället uppstickande ojämnheter, dendriter, som riskerar att nå den andra batteripolen och då orsaka en kortslutning. De kan också bli isolerade och inaktiva.

Därför är det viktigt att förstå när, hur och varför dessa störningar uppstår.

– För att tekniken ska kunna användas i nästa generations batterier behöver vi se hur en cell påverkas av till exempel strömtäthet, valet av elektrolyt eller antalet upp- och urladdningar. Nu har vi ett verktyg för att göra det, säger forskaren Matthew Sadd vid Chalmers tekniska högskola.

Spänd förväntan inför första inblicken

Många forskare har velat studera litiummetall i en battericell under drift, men ingen hade hittills kunnat göra det.

Men i en ny studie har experiment för att följa hur litiumstrukturer bildas utförts vid Swiss Light Source i Schweiz. Det var med spänd förväntan som forskarna förberedde en specialanpassad battericell för att studera när litium deponeras i realtid, och i 3D, med hjälp av röntgentomografi.

Ett lyckat experimentet skulle innebära ett stort steg framåt, jämfört med att i efterhand analysera mikroskopibilder.

– Det var magiskt, en riktig wow-upplevelse när vi med egna ögon kunde se att det fungerade vid första försöket. När litiumet skapade stora strukturer, som bergsformationer, kändes det nästan som att vara med i ett månlandarprojekt. Vi har länge velat följa batteriernas inre liv i realtid. Nu är det möjligt, säger Aleksandar Matic, professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Steg mot bättre batterier

Han menar att ett nytt fönster har öppnats för att kunna förstå – och på sikt optimera – framtidens litiummetallbatterier.

– När vi kan studera exakt vad som händer med litiumet i en battericell i drift får vi viktig kunskap om vad som påverkar det inre livet, säger Aleksandar Matic.

Forskarna kunde följa förändringar i litiummetallens struktur i realtid. Bild: Chalmers tekniska högskola

Viktig pusselbit för storskalig användning

Nu siktar forskarlaget på att testa tekniken på andra batterikoncept. Förhoppningen är att den nödvändiga röntgentekniken på sikt även ska finnas på närmare håll, till exempel på det svenska MAX IV-laboratoriet, som är en nationell forskningsanläggning för avancerad röntgenteknik.

– Vi är peppade på att utveckla metoden för att kunna mäta fortare och med högre upplösning för att se finare strukturer. För att kunna använda litiummetallbatterier på ett storskaligt och säkert är detta en viktig pusselbit. Det är många aktörer som tittar på litiummetallkonceptet för sina kommande prototyper, säger Aleksandar Matic.

Studie:

Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic  microscopy, Nature Communications

Kontakt:

Aleksandar Matic​, professor, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola,matic@chalmers.se ​

Matthew Sadd, forskare vid institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, matthew.sadd@chalmers.se