ANNABELLE: Anodlösa Na-batterier med polymerelektrolyter
- Diarienummer
- STP25-0121
- Projektledare
- Brandell, Daniel
- Start- och slutdatum
- 260601-310531
- Beviljat belopp
- 0 kr
- Förvaltande organisation
- Uppsala University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
ANNABELLE syftar till att utveckla Na-baserade anodlösa batterier som använder sig av polymerelektrolyter i fast fas, en ny sorts batterier med ultra-hög energitäthet, baserade på icke-kritiska råmaterial, och utan att kompromissa med batterisäkerheten. Användningsområden är sådana med mycket höga krav på energilagring per vikt och volym: tunga fordon, marina transporter och flyg/drönare. För att uppnå detta kan anodmaterialet tas bort, och istället skapas in-situ genom effektivare utnyttjande av de katjoner som redan finns batteriet. I föreliggande projekt, vilket bygger direkt på en tidigare framgångsrik motsvarighet avseende anodlösa Li-batterier, kommer vi konstruera, analysera och utveckla Na-baserade alternativ, genom att lösa nya vetenskapliga utmaningar. Av störst vikt är att stabilisera gränsskikt och erhålla en jämn deponering av Na. Konsortiet samlar världsledande experter på anodlösa batterier (NTUST, Taiwan) och erfarna forskare på polymerelektrolyter (UU, Sverige), och inkluderar nödvändig analytiska kompetenser som spänner över operando-tekniker, synkrotron-baserad spektroskopi, avancerad mikroskopi samt modellering. I projektet kommer en ny typ av batteri att konstrueras, och dess funktionalitet skräddarsys för att möta högt ställda krav på cyklingsbarhet, effektivitet och energitäthet.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.