Elektrodgränsskikt för högenergetiska batterier
- Diarienummer
- FFL18-0269
- Projektledare
- J. Berg, Erik
- Start- och slutdatum
- 200601-250531
- Beviljat belopp
- 12 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Uppsala University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Batterier är en förutsättning för en storskalig övergång från fossila till förnyelsebara energikällor. Li-jonbatterier överträffar idag alla andra återuppladdningsbara system på grund av låg vikt, liten volym, och lång drifttid. Förklaringen bakom framgången är cellens elektrodmaterial som reversibelt kan lagra förhållandevis mycket laddning vid höga cellspänningar tack vare stabiliserande nanometer-tjocka elektrodgränssikt. Trots det saknas fortfarande förståelse för hur grundläggande egenskaper hos dessa gränssikt påverkar cellens prestanda, vilket i förlängningen förhindrar vidare utveckling och tillämpning av kommande generationer batterier. Det föreslagna forskningsprogrammet syftar till att förklara och utveckla gränssikt mellan laddningsbärande elektroder och elektrolyter. Metoden går ut på att tillverka modellgränsskikt, antingen genom tillsättning av ytskiktsbildande molekylära elektrolyttillsatser eller genom deponering av ytbeläggningar på elektroderna före sammansättningen av batteriet. Den experimentella ansatsen baseras på s.k. operando-metoder som tillåter analys av batteriet direkt under en upp- eller urladdning. Målet är att studera hur kritiska parametrar, såsom komposition, struktur, och tjocklek, påverkar stabiliteten och effektiviteten hos dessa elektrodgränssikt. Resultaten förväntas vägleda design, utveckling och tillämpning av framtida laddningsbara batterier med högre energitäthet, verkningsgrad, säkerhet och längre livslängd.
Populärvetenskaplig beskrivning
Elektrisk energilagring är en förutsättning för en storskalig övergång från fossila till förnyelsebara energikällor. I detta sammanhang spelar laddningsbara batterier en avgörande roll. Batterier fungerar till exempel som en miljövänlig energikälla i elfordon laddade med överskottsel från sol- och vindkraft. Li-jonbatterier överträffar idag alla andra återuppladdningsbara system på grund av låg vikt, liten volym, och lång drifttid. Den tekniska förklaringen bakom framgången är cellens elektrodmaterial som reversibelt kan lagra förhållandevis mycket laddning vid höga cellspänningar - t.o.m. långt utanför den omgivande elektrolytens stabilitetsfönster. Orsaken till denna stabilitet återfinns hos ett nanometer-tjockt gränsskikt som separerar elektroden från elektrolyten och därigenom förhindrar sidoreaktioner mellan dessa komponenter att bryta ned cellen. Trots den succé som Li-jonbatterier inneburit så saknas fortfarande förståelse för hur grundläggande egenskaper hos dessa elektrodgränssikt påverkar cellens stabilitet, vilket i förlängningen förhindrar vidare utveckling och tillämpning av kommande generationer batterier. Det föreslagna forskningsprogrammet syftar till att undersöka, förklara och utveckla gränssikt mellan laddningsbärande elektroder och elektrolyter. Metoden går ut på att tillverka modellgränsskikt, antingen genom tillsättning av ytskiktsbildande molekylära elektrolyttillsatser eller genom deponering av ytbeläggningar på elektroderna före sammansättningen av batteriet. Då de flesta elektrokemiska processer enbart låter sig studeras i realtid måste den experimentella ansatsen baseras på s.k. operando-metoder som tillåter analys av batteriet direkt under en upp- eller urladdning. Målet är att vidareutveckla och tillämpa en experimentell plattform som kombinerar elektrokemisk masspektrometri, kvartskristallmikrovågar, och vibrationsspektroskopi för att specifikt undersöka hur kompositionen, strukturen, tjockleken, mekaniska egenskaper, formering- och upplösningskinetik påverkar stabiliteten och effektiviteten av skiktet som separerar i gränsytan mellan batterielektroderna och elektrolyten. Resultaten förväntas vägleda design, utveckling och tillämpning av framtida laddningsbara batterier med högre energitäthet, verkningsgrad, säkerhet och längre livslängd.