ANNABELLE: Anodeless Na-batteries using polymer electrolytes
- Reference number
- STP25-0121
- Project leader
- Brandell, Daniel
- Start and end dates
- 260601-310531
- Amount granted
- 5 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
ANNABELLE aims to realize Na-based anode-less batteries employing solid-state polymer electrolyte, a novel battery chemistry with ultra-high energy density that is based on non-critical raw materials, and without compromising the decisive battery safety. The targeted applications are those with the highest requirements on energy storage per weight and volume: heavy road vehicles, marine transport and air/drones. To achieve this, the anode material of solid-state batteries can be sacrificed by an improved utilization of the cation inventory in the repeated metallic plating during battery cycling, i.e. an ‘anode-less’ battery. In this project, which builds on a previous successful bilateral project on anode-less Li-batteries, we will construct, analyze and tailor the very demanding Na-based counterpart, by solving a set of new challenges. Of highest importance is to stabilize the interfaces and generate a uniform Na plating. The consortium gathers world-leading experts on anode-less batteries (NTUST, Taiwan) with experienced developers of solid polymer electrolytes (UU, Sweden), and include necessary 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, efficiency and energy density.
Popular science description
Litium-jonbatterier är en nyckelkomponent i vårt samhälle, och används i allt från mobiltelefoner till elbilar och batteripack i hemmet. De är avgörande för omställningen till ett elektrifierat och hållbart samhälle. För att klara klimatmålen behöver vi ytterligare batteridrift: av tunga vägfordon, arbetsmaskiner, fartyg, drönare och flyg. Detta kommer dock att kräva batterier som kan lagra mycket mer energi i förhållande till vikten och volymen, alltså med en högre energitäthet. Litium-jonbatterier är tyvärr inte utan miljöavtryck. Utöver litium innehåller de kritiska råmaterial som kobolt, nickel och koppar. Avgörande miljövinster skulle skapas om man istället använde de snarlika natriumbaserade batterierna. Detta skulle också skapa en mer säker energiförsörjning, då försörjningskedjorna för materialen blir många fler än idag. Tyvärr kan dessa natriumbatterier idag inte lagra lika mycket energi som litium, utan de måste förbättras. Det är syftet med detta projekt. Batterier består av tre huvudsakliga komponenter: anod, katod och elektrolyt. När batteriet laddas går joner från katoden, genom elektrolyten och in i anoden. Anoden är dock i teorin onödig – jonerna kan istället pläteras direkt på en tunn metallfilm. På detta sätt kan en av komponenterna i batteriet elimineras, varpå vikt och volym sparas i battericellen. Detta kallas för ”anod-lösa” batterier. Dessa finns idag inte i kommersiellt, främst beroende på att det är svårt att stabilisera de kemiska reaktionerna. Istället pläteras metallen ojämnt och genomgår sidoreaktioner, vilket gör att batteriet slutar fungera efter ett fåtal cykler. Inom ramarna för detta projekt kommer vi att skapa en mer jämn beläggning av natrium genom att använda polymermaterial i elektrolyterna. Dessa är i fast fas, och är därför mer säkra än vanliga flytande elektrolyter vilka brinner om de antänds. Samtidigt är de mindre reaktiva, vilket ger upphov till färre sidoreaktioner. Detta kan vara de elektrolyter som behövs för att realisera Na-batterier med hög energitäthet. I projektet har vi samlat världsledande expertis på anod-lösa batterier (från Taiwan) med stark expertis på utvecklingen av polymerelektrolyter (från Sverige). Konsortiet innehåller forskare som kan analysera och simulera batterierna under användning, hur de olika materialen reagerar med varandra, och hur deras struktur förändras med tiden. De har tillsammans kompetensen att ge avgörande bidrag till utvecklingen av dessa batterisystem.