Nya material kan ge säkrare och mer hållbara batterier

Fasta litiumbatterier har potential att förändra energilagring genom att erbjuda högre energitäthet och ökad säkerhet jämfört med dagens litiumjonbatterier. Men den begränsade livslängden är fortfarande en stor utmaning. För att lösa detta har forskare vid Luleå tekniska universitet tagit fram nya material som kan förlänga batteriernas livstid avsevärt.

– Våra nya material kan användas både i katoden och elektrolyten för att förlänga batteriets livslängd och bidra till utvecklingen av mer miljövänlig energilagring, säger Jiajia Li, som nyligen disputerat i energiteknik vid Luleå tekniska universitet.

Litium-metallbatterier ses som en lovande lösning för framtidens energisystem. De erbjuder både hög prestanda och förbättrad säkerhet. Genom att ersätta den traditionella flytande elektrolyten med en fast elektrolyt – det som kallas solid-state-teknik – kan man nå högre spänning och minska risken för brand eller läckage. Fasta batterier med hög energitäthet har stor potential inom exempelvis elfordon, stationär energilagring och bärbar elektronik. Med längre räckvidd, snabbare laddning och högre säkerhet kan de spela en viktig roll i den gröna omställningen och bidra till ett mer hållbart energisystem. Men för att tekniken ska bli kommersiellt gångbar krävs att de fasta elektrolyterna fungerar tillförlitligt i praktiken – något som forskare vid Luleå tekniska universitet arbetar med.

– Fasta elektrolyter har potential att lösa många av de begränsningar som finns hos dagens fasta litium-metallbatterier. Men för att de ska fungera i verkliga tillämpningar behöver ledningsförmåga, långtidstabilitet och motståndet i gränsytan mot elektroder förbättras, säger Jiajia Li.

Jiajia Li, doktorand i energiteknik vid Luleå tekniska universitet

Nya material för bättre batteriprestanda

Forskningen fokuserar på fasta elektrolyter baserade på poly(jonvätskor) – plastliknande material som leder joner. Materialen har både hög jonledningsförmåga och god (elektro)kemisk stabilitet, vilket är avgörande för att batteriet ska fungera tillförlitligt. Genom att justera materialens struktur har forskarna förbättrat transporten av litiumjoner och gränsytan mellan elektrolyten och övriga batterikomponenter. Ett av de utvecklade materialen möjliggjorde stabil drift i över 1 000 laddnings- och urladdningscykler utan att prestandan försämrades.

– Många fasta litiumbatterier tappar i prestanda redan efter 500–700 cykler, så det här är en tydlig förbättring. Våra material fungerar dessutom vid högre spänningar än vad som vanligtvis är möjligt vilket gör dem kompatibla med katoder för hög spänning, säger Jiajia Li.

Resultaten visar att flera viktiga utmaningar inom utvecklingen av fasta litiumbatterier kan hanteras – som bättre kontakt mellan elektrolyt och elektrod, högre spänningsstabilitet och längre livslängd. Det gör tekniken mer relevant för framtida användning, exempelvis i elfordon.

Forskargruppen har också integrerat cellulosaacetat från trä – ett förnybart material – i elektrolyterna för att öka både den mekaniska hållfastheten och hållbarheten ur miljösynpunkt. De nya materialen behöll hög prestanda vid spänningar upp till 4,8 volt, samtidigt som batteriernas livslängd förbättrades.

Flera utmaningar återstår dock innan tekniken kan användas i kommersiella produkter – till exempel möjligheten att tillverka materialen i större skala och att testa dem under mer realistiska förhållanden som varierande temperaturer och snabbladdning.

– Det här är ett viktigt steg framåt, men det krävs mer utveckling innan tekniken är redo för exempelvis elbilar. Vi måste säkerställa att materialen fungerar stabilt även vid höga belastningar och i varierande miljöer, säger Xiaoyan Ji, professor i energiteknik vid Luleå tekniska universitet och huvudhandledare samt ansvarig projektledare för forskningen.

Forskningen sker i samarbete med Institute of Process Engineering vid Chinese Academy of Sciences. Genom samarbetet har forskargruppen kunnat bygga upp avancerade testmiljöer, stärka forskarutbildningen och främja internationellt kunskapsutbyte inom nästa generations batteriteknik. Resultaten har väckt internationellt intresse och har accepterats för publicering i högt rankade vetenskapliga tidskrifter som Advanced Materials och Nano-Micro Letters.

• Energiteknik
• Läs avhandlingen Länk till annan webbplats.