Forskare utvecklar sätt att förebygga skador som drabbar nästa generations litiumbatterier

Credit: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06653-w
Credit: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06653-w

Forskare vid University of Maryland som studerar hur litiumbatterier går sönder har utvecklat en ny teknik som kan möjliggöra nästa generations elfordon och andra enheter som är mindre benägna att drabbas av batteribränder samtidigt som energilagringen ökar.

Den innovativa metoden, som presenteras i en artikel som publicerades på onsdagen i tidskriften Nature, undertrycker tillväxten av litiumdendriter – skadliga grenliknande strukturer som utvecklas inuti så kallade all-solid-state litiumbatterier, vilket förhindrar företag från att kommersialisera den lovande tekniken på bred front. Men denna nya design för ett batteri ”mellanlager”, som leds av professor Chunsheng Wang vid institutionen för kemi och biomolekylär teknik, stoppar dendritbildning och kan öppna dörren för produktion av livskraftiga all-solid-state-batterier för elbilar.

Minst 750 000 registrerade elbilar i USA drivs med litiumjonbatterier, som är populära på grund av sin höga energilagring, men som innehåller en brandfarlig flytande elektrolytkomponent som brinner vid överhettning. Även om ingen myndighet spårar fordonsbränder per biltyp, och batteribränder i elbilar verkar vara relativt sällsynta, innebär de särskilda risker; National Transportation Safety Board rapporterar att räddningspersonal är utsatta för säkerhetsrisker, inklusive elektriska stötar och exponering för giftiga gaser som härrör från skadade eller brinnande batterier.

All-solid-state-batterier skulle kunna leda till bilar som är säkrare än dagens el- eller förbränningsmodeller, men att skapa en strategi för att kringgå nackdelarna var mödosamt, säger Wang. När dessa batterier drivs med de höga kapaciteter och laddnings- och urladdningshastigheter som elfordon kräver, växer litiumdendriter mot katodsidan, vilket orsakar kortslutningar och en minskning av kapaciteten.

Han och postdoktorn Hongli Wan började utveckla en teori för bildandet av litiumdendrittillväxt 2021; det är fortfarande en fråga om vetenskaplig debatt, säger forskarna.

”Efter att vi räknat ut den delen föreslog vi idén att omforma mellanlagren som effektivt skulle undertrycka litiumdendrittillväxten”, säger han.

Deras lösning är unik eftersom den stabiliserar batteriets gränssnitt mellan den fasta elektrolyten och anoden (där elektroner från en krets kommer in i batteriet) och elektrolyten och katoden (där energin flödar ut ur batteriet). Den nya batteristrukturen tillför ett fluorrikt mellanskikt som stabiliserar katodsidan, samt en modifiering av anodens mellanskikt med magnesium och vismut – vilket undertrycker litiumdendriten.

”Solid state-batterier är nästa generations batterier eftersom de kan ge både hög energi och säkerhet. I dagens batterier måste man offra säkerheten om man vill uppnå hög energi”, säger Wang.

Forskarna har andra utmaningar att lösa innan produkten kommer ut på marknaden. För att kunna kommersialisera batterier med enbart fast elektrolyt måste experterna skala ned det fasta elektrolytskiktet så att det får en tjocklek som liknar litiumjonbatteriernas elektrolyt, vilket förbättrar energitätheten – eller hur mycket ström batteriet kan lagra. Höga kostnader för basmaterial är en annan utmaning, säger teamet.

Med målet att släppa ut de nya batterierna på marknaden senast 2026 planerar den avancerade batteritillverkaren Solid Power att inleda tester av den nya tekniken för att bedöma dess potential för kommersialisering. Fortsatt forskning syftar till att ytterligare öka energitätheten, säger forskarna.

Ytterligare information: Hongli Wan et al, Interface design for all-solid-state lithium batteries, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06653-w

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.