Forskere ved kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo har utviklet en ny katode til litiumionebatterier som kan lades tusen ganger raskere enn dagens batterier.
Det er en verdensrekord, skriver forskningsmagasinet Apollon, som først omtalte forskningen.
Det hele gjøres mulig av et pseudokapasitivt katodemateriale, forteller professor Ola Nilsen ved Kjemisk institutt på UiO til Teknisk Ukeblad. Han har forsket på materialet sammen med postdoktor Knut Bjarne Gandrud.
Katoden brukes som kondensator
At materialet er pseudokapasitivt vil si at det oppfører seg som en kondensator samtidig som det er et batteri. Mens du bare lager ladning på overflaten i en kondensator, lages ladningen inni selve materialet i katoden.
Litium flytter seg inn og ut av materialet i en elektrokjemisk prosess, slik at egenskapen er en funksjon av mengde materiale i katoden. Forskerne måler ingen begrensninger knyttet til diffusjon av litiumioner, altså at litium beveger seg inn i eller ut av katoden.
Med andre ord: Opp- og utlading kan gå svært fort. I forsøk med halvceller, altså hvor man har katoden, flytende elektrolytt og litiummetall, har de klart å lade katoden på 1,4 sekunder uten å tape nevneverdig kapasitet.
Kun infrastruktur som setter grenser
Egenskapene virker også under utlading, så batteriet kan gi mye kraft over kort tid. Her vil det bare være infrastrukturen til batteriet som setter de praktiske begrensningene.
Altså tykkelsen på lederne som går til batteriets elektroder, og strømstyrken de kan håndtere.
Nilsen bruker en elbil som eksempel:
– Hvis du konverterer mengden vi har nå til ett kilo materiale, så vil du trenge omtrent 500.000 ampere for å lade det opp i løpet av et sekund. Da sier det seg selv at hele infrastrukturen i batteriet vil smelte, sier han.
Kan gi elbiler en effekt-puff
Det kan imidlertid tenkes at forskningen på sikt kan sørge for biler som, om ikke de lades på sekunder, i alle fall kan lades raskere enn i dag. Det kan også tenkes at det er aktuelt å bruke egenskapene til å lage biler med voldsomme krefter.
Det er batteriet i bilen som setter de praktiske begrensningene for hvor stor effekt motoren kan levere over tid. Et kjent eksempel er de misfornøyde Tesla Model S-eierene som følte seg lurt da de oppdaget at batteriet ikke levere effekten motorene er oppgitt til, og dermed i praksis har færre hestekrefter enn oppgitt.
Nilsen ser likevel for seg at batterier basert på deres forskning kan brukes som et mellomlager i en sportsbil. Her kan de muliggjøre store effektuttak over en kort periode.
Et annet scenario er busser med små batterier som hurtiglades ofte, for eksempel på hvert busstopp.
Tåler mange og hurtige ladinger
Stadige hurtigladinger høres kanskje ikke veldig sunt ut, men katodematerialet tåler mye «juling».
Etter over 10.000 sykler, altså opp- og utladinger, viser forsøkene at langtidsegenskapene er svært gode, og bedre enn andre aktuelle teknologier.
Men det er i første omgang langt mindre dingser enn biler og busser som er i fokus.
Nilsen trekker frem betalingskort med batteri, som kan lades hver gang det settes i en betalingsterminal – uten at du tenker over det. Eller små etiketter med sensorer for temperatur, som kan fortelle deg hvordan en matvare er oppbevart.
Slike, og andre Internet of Things-applikasjoner, kan forbedres med små batterier som kan lades på et blunk. På sikt også mobiltelefoner, som kan lades på få minutter.
Det hele vil gjøres mulig takket være en ny vri på en kjent og kjær batterikjemi.
Amorft materiale
Katoden er laget av jernfosfat, som blir til litiumjernfosfat (LiFePO4).
Litiumjernfosfatbatterier er utbredt i dag, men da i krystallinsk form. Materialet til Gandrud og Nilsen mangler slik struktur – det er amorft. Vanligvis har man skydd slike materialer, men her er et godt unntak fra regelen. Vel å merke fungerer materialet bare for tykkelser under 50 nanometer, da den elektriske ledningsevnen er svært dårlig.
– Under 50 nanometer kommer du inn i dette pseudokapasitive området, og der holder du teoretisk kapasitet på batteriet slik at vi utnytter alt litiumet som er der. Det er litt unikt, og vi gjør det i en hastighet hvor vi ikke klarer å måle hvor fort litium går inn og ut. Det er rett og slett for kjapt, sier Nilsen.
Må ha kontroll på tykkelsen
Det er avgjørende å ha kontroll på tykkelsen på katodematerialet. Det viser seg at de får helt jevne filmer over store arealer når de deponerer det, og kan dermed lage større arealer av det.
Lovende forskning betyr imidlertid ikke at ekstremhurtigladende produkter er rett rundt hjørnet. Flere utfordringer må løses før man har et fullstendig batteri.
Halvcellen de har kjørt forsøk med er, som navnet antyder, bare en halv battericelle. I tillegg må de finne en passende anode, som litium kan bevege seg inn og ut fra, og en elektrolytt ionene kan bevege seg gjennom.
Avhengig av fast elektrolytt
Gode pseudokapasitive anodematerialer er ikke tilgjengelig, men Nilsen mener det ikke er et uløselig problem. Den store utfordringen er derimot elektrolytten.
– Problemet med å få dette smått og brukbart er å få på plass en faststoffelektrolytt som også leder ioner like fort. Det kan være en utfordring, men vi har jo våre tanker der også.
Faste elektrolytter er nemlig et annet felt de forsker på. Elektrolytten i dagens litiumionebatterier er flytende, bidrar sterkt til brannfaren i dem. Ved å erstatte den med fast elektrolytt unngår man den faren.
Man unngår også SEI-problematikk (Solid Electrolyte Interface). Dette er en «skorpe» som legger seg på anoden når den kommer i kontakt med flytende elektrolytt.
I praksis betyr det at litium blir utilgjengelig i cellen, og at kapasiteten reduseres. Samtidig er det problemer med plettering av litium på anoden ved for hurtig opplading.
Faststoffelektrolytten unngår dette, og Nilsen mener at du får en celle som kan lades med høy effekt ofte, uten at du får noe særlig kapasitetstap.
- Les også: Derfor kan du ikke lade elbilen raskere
Må finne den perfekte tykkelsen
Problemet er at en fast elektrolytt har dårligere ledeevne, så den må gjøres tynn. Jo tynnere elektrolyttlaget er, jo større er faren for kortslutning.
Elektrolyttlaget i en celle med flytende elektrolytt er i mikrometerområdet. Nilsen og Gandrud pønsker på tykkelser ned mot fem nanometer.
– Vi ligger vanligvis rundt 100 nanometer, men vi vet at det med et optimalt oppsett kan fungere med fem nanometer også. Mange vil si at fem nanometer ikke er så trygt, men vi skal få det til trygt og greit i nanometer-området. Får vi det til, kan vi også realisere bøybare batterier mye enklere, sier Nilsen.
Faststoffelektrolytt kan realisere små batterier, og det er noe bevegelse på dette feltet i dag.
Dukker opp de neste årene
Nilsen sier at vi kan forvente å se resultater av noe av de de jobber med om noen år, mens andre ting ikke vil være kommersialisert før om ti til 15 år.
Men når man har funnet en god faststoffelektrolytt, vil det utløse mange nyvinninger, tror Nilsen. Derfor er det først og fremst det de fokuserer på.
Du får ikke noe glede av den kjappe katoden før dette er på plass.
