Batterier tappar kapacitet med tiden, vilket är anledningen till att äldre mobiltelefoner får slut på ström snabbare. Detta vanliga fenomen är dock inte helt förstått.
Nu har ett internationellt forskarlag, under ledning av en ingenjör vid University of Colorado Boulder, avslöjat den underliggande mekanismen bakom batteriets nedbrytning. Upptäckten kan hjälpa forskarna att utveckla bättre batterier som gör att elfordon kan köras längre och hålla längre, samtidigt som de kan utveckla energilagringstekniker som kan påskynda övergången till ren energi.
Resultaten publicerades den 12 september i tidskriften Science.
”Vi hjälper till att utveckla litiumjonbatterier genom att ta reda på vilka processer på molekylär nivå som är inblandade i nedbrytningen av dem”, säger Michael Toney, som är korresponderande författare till artikeln och professor vid institutionen för kemi- och bioteknik. ”Att ha ett bättre batteri är mycket viktigt när vi ska ställa om vår energiinfrastruktur från fossila bränslen till mer förnybara energikällor.” Med ett flukturerande oljepris idag och ökade utsläpp är omställningen viktig att genomföra inom bara några år.
Ingenjörer har i flera år arbetat med att utforma litiumjonbatterier – den vanligaste typen av uppladdningsbara batterier – utan kobolt. Kobolt är en dyr och sällsynt mineral, och utvinningen av den har kopplats till allvarliga miljö- och människorättsproblem. I Demokratiska republiken Kongo, som levererar mer än hälften av världens kobolt, är många gruvarbetare barn.
Hittills har forskare försökt använda andra grundämnen som nickel och magnesium för att ersätta kobolt i litiumjonbatterier. Men dessa batterier har ännu högre självurladdning, vilket är när batteriets interna kemiska reaktioner minskar den lagrade energin och försämrar dess kapacitet över tid. På grund av självurladdningen har de flesta elbilsbatterier en livslängd på sju till tio år innan de behöver bytas ut.
Toney, som också är fellow vid Renewable and Sustainable Energy Institute, och hans team började undersöka orsaken till självurladdningen. I ett typiskt litiumjonbatteri rör sig litiumjonerna, som bär på laddningar, från batteriets ena sida, anoden, till dess andra sida, katoden, genom ett medium som kallas elektrolyt.
Under denna process bildar flödet av dessa laddade joner en elektrisk ström som driver elektroniska enheter. När batteriet laddas vänds flödet av de laddade jonerna och de återförs till anoden.
Tidigare trodde forskarna att batterier självurladdas eftersom inte alla litiumjoner återvänder till anoden vid laddning, vilket minskar antalet laddade joner som är tillgängliga för att bilda strömmen och ge ström.
Med hjälp av Advanced Photon Source, en kraftfull röntgenmaskin, vid Argonne National Laboratory i Illinois, USA:s energidepartement, upptäckte forskargruppen att vätemolekyler från batteriets elektrolyt flyttar sig till katoden och tar de platser som litiumjonerna normalt binder till. Resultatet blir att litiumjonerna har färre ställen att binda till sig på katoden, vilket försvagar den elektriska strömmen och minskar batteriets kapacitet.
Transporter är den enskilt största källan till växthusgaser i USA och står för 28% av landets utsläpp 2021. I ett försök att minska utsläppen har många biltillverkare åtagit sig att gå från att utveckla bensinbilar till att istället producera fler elbilar.
Men tillverkarna av elbilar står inför en rad utmaningar, bland annat begränsad räckvidd, högre produktionskostnader och kortare batterilivslängd än för konventionella fordon. På den amerikanska marknaden kan en typisk helelektrisk bil köras ca 40 mil på en enda laddning, vilket är ca 60% av en bensinbils räckvidd. Den nya studien har potential att lösa alla dessa problem, säger Toney.
”Alla konsumenter vill ha bilar med stor räckvidd. Vissa av dessa batterier med låg kobolthalt kan potentiellt ge en längre räckvidd, men vi måste också se till att de inte faller sönder på kort tid”, säger han och påpekar att en minskning av kobolthalten också kan sänka kostnaderna och bidra till att lösa problemen med mänskliga rättigheter och energirättvisa.
Med en bättre förståelse för självurladdningsmekanismen kan ingenjörerna utforska några olika sätt att förhindra processen, t.ex. genom att belägga katoden med ett speciellt material som blockerar vätemolekyler eller använda en annan elektrolyt.
”Nu när vi förstår vad som gör att batterier försämras kan vi informera batterikemisterna om vad som behöver förbättras när de utformar batterier”, säger Toney.
För mer information: Gang Wan et al, Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adg4687. www.science.org/doi/10.1126/science.adg4687
