En gruppe forskere ved Stanford School of Engineering har greid å utvikle et oppladbart batteri med en stabil litium-anode. Ifølge en pressemelding fra universitetet er dette noe forskere har forsøkt å få til i flere tiår.
– Av alle materialene man kan bruke i en anode, har litium det største potensialet. Noen kaller det for Den hellige gral, sier Yi Cui, professor i materialvitenskap og leder for forskningsteamet, i pressemeldingen.
– Det er veldig lett og har den høyeste energitettheten. Du får mer effekt per volum og vekt, noe som leder til lettere og mindre batterier med mer effekt.
De fleste av dagens batterier har tre hovedkomponenter – en elektrolytt som forsyner batteriet med elektroner, en anode som slipper ut disse elektronene, og en katode til å motta dem igjen.
I dagens litium-ion-batterier er elektrolytten laget av litiumsalter, men anoden er typisk lagd av grafitt eller silisium.
– Det er store utfordringer knyttet til litium som har gjort det vanskelig å bruke det som anode. Mange ingeniører har gitt opp letingen, men vi har funnet en måte å beskytte litiumet på fra problemene som har plaget det så lenge, sier Guangyuan Zheng, doktorkandidat og førsteforfatter av den vitenskaplige artikkelen om forskningen, som nå er publisert i Nature Nanotechnology.
Problemene
Under ladning blir de positivt ladde litium-ionene i elektrolytten trukket mot den negativt ladde anoden. Det fører til at litium hopes opp og utvides på anoden.
Ifølge forskerne utvides alle anodematerialer noe under ladning, men ikke på samme måte som litium. Litiumen fordeler seg ujevnt og danner sprekker i overflaten til anoden, noe som fører til at de viktige litium-ionene kan unnslippe. Da dannes det hårlignende utvekster, dendritter, som kortslutter batteriet og reduserer levetiden. Derfor må denne oppbygningen forhindres.
Den andre utfordringen er at litium-anoder reagerer svært lett med elektrolytten, slik at denne brukes opp. Også dette reduserer batterilevetiden.
Dessuten skapes det varme når anoden og elektrolytten kommer i kontakt med hverandre, noe som kan føre til brann eller eksplosjon.
Løsningen
For å løse disse problemene har forskerne lagt et beskyttelseslag av sammenkoblede karbondomer på toppen av litium-anoden. Dette kalles for nanosfærer.
Laget med nanosfærer ligner på en bikake. Det skal utgjøre en fleksibel, jevn og ikke-reaktiv film som beskytter det ustabile litiumet problemene som er nevnt over. Nanosfæren har vegger som er bare 20 nanometer tykke og er lagd av amorf karbon, som både er kjemisk stabilt, sterkt og fleksibelt nok til at det kan bevege seg når litiumet utvides eller trekkes sammen under ladning og utladning.
Ikke helt i mål
Et sentralt mål for effektiviteten til et litium-batteri kalles for coulombisk effektivitet. Dette er i denne sammenheng forholdet mellom mengden av litium som kan trekkes ut fra anoden når batteriet er i bruk, sammenlignet med mengden som tilføres under ladning. En slik runde med utlading og ladning kalles for en syklus, og for et kommersielt, oppladbart batteri er det om å gjøre å kunne beholde en høy coulombisk effektivitet over så mange sykluser som mulig.
For å være kommersielt interessant, må man ha en coulombisk effekt på 99,9 prosent eller høyere over mange sykluser. Tidligere anoder med ubeskyttet litium-metal har oppnådd omtrent 96 prosent effektivitet, men har falt til under 50 prosent på omtrent hundre sykluser. Det er langt fra tilstrekkelig. Med de nye, beskyttede litium-anodene har forskerne derimot greid å opprettholde 99 prosent effektivitet også etter 150 sykluser. Da begynner det å ligne på noe.
– Forskjellen på 99 og 96 prosent, er i batterisammenheng enorm. Så selv om vi ikke helt har kommet til 99,9 prosent-terskelen som vi er nødt til å være, så er vi nærme, og dette er en betydelig forbedring sammenlignet med all tidligere design, sier Cui.
– Med noe ytterligere ingeniørkunst og nye elektrolytter, mener vi at vi kan realisere en praktisk og stabilt litium-metal-anode som kan drive den neste generasjonen med oppladbare batterier.
Tilknyttet teamet til Cui er også Steven Chu, som vant Nobelprisen i fysikk i 1997, og som var energiminister i USA under den første perioden til Barrack Obama.
– I praksis, dersom vi kan forbedre batterikapasiteten til for eksempel fire ganger dagens, ville det være spennende. Du vil kunne få en mobiltelefon to eller tre ganger så lang batteritid, eller en elektrisk bil til 25 000 dollar med rekkevidde på 300 miles (483 km, journ. anm.) – konkurransedyktig med en intern forbrenningsmotor som leverer 40 miles per gallon (omtrent 0,6 liter per mil, journ. anm.), sier Chu i pressemeldingen.
Les også:
- [14.10.2014] Lades på få minutter
- [18.08.2014] Lad opp mobilen langt raskere
