Vad händer egentligen inne i ett batteri under drift?
Batteriforskare har länge velat studera litiummetall i en battericell under drift. Nu har forskare frn Chalmers tagit fram en ny metod för att följa hur litiumet i battericellens ena pol beter sig vid upp och urladdning.
Genom att analysera en specialanpassad battericell med hjälp av röntgentomografi kan forskarna följa batteriets inre liv i realtid i 3D. Den nya metoden kan enligt forskarna bidra till både säkrare och mer energieffektiva batterier i våra framtida bilar och prylar.
– Vi har öppnat ett nytt fönster 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, i ett pressmeddelande.
Aleksandar Matic ör professor vid institutionen för fysik på Chalmers och ledare för den vetenskapliga studie som nyligen publicerades i Nature Communications.
Det finns stora förväntningar på att nya batterikoncept, som litiummetallbatterier, ska kunna ersätta dagens litiumjonbatterier. Målet är att få fram mer energitäta, lätta och säkra batterier som tar oss längre till en lägre kostnad – både ekonomiskt och miljömässigt. 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 och med ren litiummetall på ena batteripolen blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet på den andra polen, katoden. Vilket också leder till att det går det att uppnå tre till fem gånger så hög energitäthet.
Det finns dock ett problem. När battericeller laddas upp eller ur lägger sig litiumet inte alltid så slätt och tätt som det ska. Det kan istället bildas strukturer som kan liknas vid fluffig mossa vilket också leder till att delar av formationen kan tappa kontakten och därmed blir inaktiv. Det kan också bildas ojämnheter – så kallade dendriter – som kan riskera att nå den andra polen och därmed kortsluta alltsammans. Det är alltså avgörande att förstå när, hur och framförallt varför dessa störningar uppstår om vi ska ta oss fram i utvecklingen.
– 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, förklarar Chalmersforskaren Matthew Sadd, som tillsammans med kollegan Shizhao Xiong är huvudförfattare till den nya studien.
Experimentet med att följa hur litiumstrukturer bildas genomfördes vid the Swiss Light Source utanför Zürich i Schweiz.
Nu siktar forskarlaget på att testa tekniken på andra batterikoncept och 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.
