Batterier som beholder effektiviteten ved høye og lave temperaturer, og som kan holde på ladning over lengre tid kan bli resultatet om batterier med faststoffelektrolytt erstatter vanlige oppladbare batterier.
Det er forskere ved Tokyos institutt for teknologi og Japans organisasjon for høyenergisk akselleratorforskning (KEK), i samarbeid med Toyota Motor Corporation, som har publisert ny forskning med interessante resultater.
De har designet og testet et batteri som er helt fritt for flytende elektrolytt, slik dagens vanlige litiumionebatterier har.
Faststoffelektrolytt
I stedet har batteriet faststoffelektrolytt, og resultatene er lovende, skriver Tokyos institutt for teknologi på sine nettsider.
Batterier med flytende elektrolytt har noen begrensninger. Elektrolyttens viskositet (hvor tyktflytende den er) endres med temperatur. Når det er kaldt, gjør dette at litiumioner beveger seg tregere gjennom elektrolytten, slik at virkningsgraden faller.
Det er et fenomen de fleste elbileiere har et forhold til, ettersom elbilene som regel får kortere rekkevidde om vinteren. Kalde batterier må også lades mer forsiktig, og er de kalde nok kan de ikke lades i det hele tatt. Risikoen er litiumplettering, altså at litium fester seg på anoden og dermed blir utilgjengelig i cellen. Da reduseres kapasiteten.
Over tid vil alle litiumionebatterier få en kapasitetsreduksjon, men i høye temperaturer vil disse reaksjonene gå raskere. I tillegg er elektrolytten i slike batterier brennbar.
Forenkler designen
Faststoffelektrolytt kan fjerne disse problemene. Det kan potensielt gjøre designen enklere, ettersom det ikke er behov for en separator av et polymer for å skille elektrodene. Faststoff vil fungere som separator i en slik design.
Men slik design har tidligere vist seg å være komplisert, dyr og vanskelig å få elektrokjemisk stabil.
De japanske forskerne har utviklet to nye litiumbaserte materialer med en krystallstruktur i et faststoff; Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 og Li9.6P3S12.
Håpet er at disse materialene skal kunne erstatte bruk av det dyre grunnstoffet germanium, som har vært basis for andre forsøk med faststoffelektrolytt.
- Batteriekspert om batterier på skip: – En blindvei
Superionisk
Krystallstrukturen, som de kaller «superionisk», gjør det enkelt for ioner å bevege seg, slik at en strøm av ioner kan bevege seg mellom elektrodene, på samme måte som i flytende elektrolytt. Cellene kan også stables direkte på hverandre.
Undersøkelser viser at litiumioner beveger seg raskt i materialene, i temperaturer fra 30 kuldegrader til 100 varmegrader.
I tillegg hadde materialene høy stabilitet, og den indre motstanden skal være svært lav. Etter 500 sykler skal cellene ha rundt 75 prosent av opprinnelig kapasitet.
På bakgrunn av resultatene har forskerne utviklet to batterityper. Ett med celler med høy spenning, og ett med celler som kan levere stor strømstyrke. Begge skal ha vist høyere ytelse enn tilsvarende litiumionebatterier.
Cellene skal ha både høy energitetthet, mulighet for å lades svært raskt, og lengre levetid enn eksisterende batterier.
- Les også: Derfor kan du ikke lade elbilen raskere
Vil det være lønnsomt?
Så skal det sies at det er en lang vei fra lab til butikk. Det er heller ikke sikkert at det vil lønne seg å kommersialisere teknologien.
Det vil for eksempel kreve en teknologiomlegging. Da må man ta hensyn til prisutviklingen til tradisjonelle litiumionebatterier med flytende elektrolytt. Slike batterier blir stadig bedre og billigere.
Forsøkene må eventuelt skaleres opp, og flere må se på hvorvidt det er praktisk mulig å gjøre teknologien brukbar for bruksområder som elbiler, til tilsvarende eller lavere pris som vanlige litiumbatterier.
Videre forskning skal finne ut om elektroder av andre materialer kan forbedre ytelsen. Det må også utvikles en prosessteknologi som kan gjøre det mulig å lage batteriene effektivt.
En artikkel om teknologien er publisert i journalen Nature Energy. Forskningen er støttet av Japans organisasjon for ny energi og industriell teknologi (NEDO).
