SOLID ALIBI - Initiativ för anodlösa fastfas-Li-batterier
- Diarienummer
- STP19-0095
- Projektledare
- Brandell, Daniel
- Start- och slutdatum
- 200701-250630
- Beviljat belopp
- 10 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Uppsala University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
SOLID ALIBI siktar på att utveckla nya batterikemier med exceptionellt hög energidensitet, utan att kompromissa med batterisäkerheten. När energilagring krävs för elektrifiering av mer krävande tillämpningar än personbilar – tunga fordon, arbetsmaskiner, marina transporter, flyg – kommer den lagrade energin per enhet vikt och volym behöva vara högre än dagens. Det kan då beaktas att anoden i litium-jonbatteriet i princip kan utelämnas i battericellen, om istället det Li som finns i elektrolyt och katod kan användas effektivt. Detta sker genom att Li pläteras och löses upp på den negativa elektroden när batteriet cyklas. Konceptet kallas för ett ”anod-löst” batteri. Vi kommer här att konstruera och grundläggande analysera denna typ av batterier genom användandet av nya, icke brännbara, fastfas-elektrolyter baserade på polymerer. Dessa elektrolyter kommer att designas för en jämn beläggning av Li på den negativa elektroden. Konsortiet samlar världsledande expertis på anod-lösa batterier (NTUST, Taiwan) med experter på utveckling av polymerelektrolyter (UU, Sverige), tillsammans med starka kompetenser avseende operando-tekniker, synkrotronbaserad spektroskopi, mikroskopi och modellering. Detta projekt kommer därmed att generera nya batterityper där materialen skräddarsytts för att uppfylla kritiska egenskaper avseende cyklingsstabilitet och energitäthet. Eftersom ytkemin i dessa celler är avgörande för prestanda, spelar förståelsen och kontrollen av denna en central roll.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.