SOLID ALIBI - Solid-State Anode-Less Li Battery Initiative
- Reference number
- STP19-0095
- Project leader
- Brandell, Daniel
- Start and end dates
- 200701-250630
- Amount granted
- 10 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
SOLID ALIBI targets the development of novel battery chemistries with ultra-high energy density, without compromising the decisive battery safety. When reaching towards more energy demanding applications than automotives – heavy road vehicles, machinery, marine transport and air – the requirements on energy storage per weight and volume will increase beyond today’s state-of-the-art. In this context, the anode material of the Li-ion battery can be sacrificed by an improved utilization of the Li inventory in the cathode and electrolyte through repeated plating of metallic Li during battery cycling. This is known as an ‘anode-less’ battery. In this project, we will construct and profoundly analyze such challenging battery cells through the employment of novel solid and non-flammable polymer electrolytes designed for uniform and stable lithium plating. The consortium gathers world-leading experts in this type of battery chemistries (NTUST, Taiwan) with developers of solid polymer electrolytes (UU, Sweden), and include analytical competences within operando techniques, synchrotron-based spectroscopy, advanced microscopy, and modelling. Thereby, novel battery cells will be constructed and their functionalities tailored to meet high requirements of cyclability and energy density. The surface chemistry in these cells during continuous lithium stripping and plating are of uttermost importance to understand and ultimately control, and therefore play a key role in the project.
Popular science description
Litium-jonbatterier används idag främst för bärbar elektronik, men i ökande utsträckning också för elbilar. De är avgörande komponenter för omställningen till ett hållbart samhälle – de kan lagra förnybar energi från vind- och solkraft samt ersätta fossila bränslen för persontransporter. Nästa steg i elektrifieringen kommer innebära att andra fordonstyper kommer att få batteridrift: tunga vägfordon som lastbilar, arbetsmaskiner för jordbruk och gruvdrift, fartyg och färjor, till och med flyg. Detta kommer att kräva batterier som kan lagra mycket mer energi i förhållande till vikten och volymen, alltså med en högre energitäthet. Litiumjonbatterier består normalt av tre huvudsakliga komponenter: en anod, en katod och en elektrolyt. När batteriet laddas upp går Li-joner från katoden, genom elektrolyten och in i anoden. När batteriet sedan laddas ur går jonerna åt andra hållet. Dock är anoden i teorin är onödig – Li kan istället ”fastna” (pläteras) direkt på den elektrod som är kopplad till anoden. På detta sätt kan en av komponenterna i batteriet elimineras, varpå vikt och volym sparas i battericellen. Denna typ av batterier innehåller alltså ingen egentlig anod alls, och kallas därför för ”anod-lösa” batterier. Dessa finns idag inte i kommersiellt, främst beroende på att det är svårt att stabilisera den reaktion där litium pläteras på elektroden. Istället pläteras litium ojämnt och genomgår sidoreaktioner, vilket gör att batteriet slutar fungera efter ett fåtal upp- och urladdningscykler. Inom ramarna för detta projekt kommer vi att skapa en mer jämn beläggning av litium genom att använda polymermaterial i elektrolyterna. Dessa elektrolytmaterial är i fast fas, och är därför också mer säkra än de flytande elektrolyter som normalt finns i Li-jonbatterier vilka brinner om de antänds. Samtidigt är de mindre reaktiva med den pläterade Li-metallen, vilket ger upphov till färre sidoreaktioner. Detta kan vara de material som behövs för att realisera dessa batterier med exceptionellt hög energitäthet. I detta projekt har vi samlat världsledande expertis på anod-lösa batterier (från Taiwan) med stark expertis på utvecklingen av polymerelektrolyter (från Sverige). Dessa kommer att arbeta med forskare som kan analysera och simulera batterierna under användning, hur de olika materialen reagerar med varandra, och hur deras struktur åldras och förändras med tiden. De har tillsammans kompetensen för att ge avgörande bidrag till utvecklingen av dessa batterisystem.