Forskare skapar bättre batterier med grafensvamp

Ett vanligt batteri består som regel av fyra delar: 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. Forskarna vid Chalmers har använt sig av en porös och svampliknande aerogel baserad på grafen, så kallade grafensvamp, som en fristående elektrod i battericellen och gör att svavlet kan utnyttjas på ett bättre sätt. I tidigare experiment har forskarna 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 grafensvamp har visat att katolytmetoden är lovande. 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, i ett pressmeddelande. Sedan tillsätts en svavelrik lösning, katolyt, till batteriet. Lösningen sugs upp av den porösa 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. 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. 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 1’000–1’500 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. Problemet med dagens litiumsvavelbatterier är att de än så länge är alltför instabila och dessutom har kort livslängd. Den grafenbaserade prototyp som Chalmersforskarna har 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 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.