Safe and energy-rich batteries using lithium metal anodes

Lagring av energi elektrokemiskt spelar en ytterst viktig roll i dagens samhälle, t.ex. tillverkas idag årligen mer än 10 miljarder litiumbattericeller, som i bärbar elektronik har möjliggjort den mobila revolutionen på konsumentsidan. För framtiden spås batterier ha en helt avgörande roll inom ”electromobility” – en förändrad och förbättrad transportsektor där effektiv elektrokemisk energilagring är central. En av huvudbegränsningarna för litiumbatteriers genomslag är den, om än höga, ändå otillräckliga energitätheten ~120 Wh/kg, som begränsar t.ex. körsträckan för el- och hybridfordon jämfört med en konventionell bil – och ändå till en avsevärt dyrare inköpskostnad för fordonen. Dagens helt dominerande litiumbatterikoncept bygger på grafitanoder som begränsar både utvecklingspotential, varje litium-atom lagras i minimum 6 st ”inaktiva” kol-atomer (LiC6) med en kapacitet av 372 mAh/g, och ekonomi p g a de höga krav på renhet som denna typ av batterikemi kräver. Högkvalitativ grafit är även listat som en begränsad resurs. Att använda litiummetallanoder, ren litium Li(s), med mer än 10 ggr(!) högre kapacitet - 3860 mAh/g, skulle öka batteriernas energitäthet markant. Problemet är, att när dessa cyklas elektrokemiskt byggs dendriter – ojämnt från elektrolyten på elektroden återdeponerad litium i form av ”träd”. Dendriter kan potentiellt växa från anod till katod och orsaka kortslutning – en säkerhetsrisk som måste elimineras för tillämpningar med större energilager t.ex. el- och hybridfordon. Dendrit-tillväxten beror såväl på metallytans struktur som elektrolytens fysikaliska egenskaper, och batteriets användning. Faran är alltså välkänd, men detaljerna i dendriternas uppbyggnad och deras exakta komposition är i hög grad okända idag. En bättre kunskap är grunden för utveckling av nya ytstrukturer och/eller elektrolytmaterial kompatibla med Li(s) som förhindrar dendrittillväxt och därmed möjliggör säkra och mycket energirikare batterier än dagens. Den experimentella metod som med bäst upplösning och med högst noggrannhet kan fastställa dendriternas materialuppbyggnad är atomsondstomografi. I denna tillverkas ett extremt vasst spetsformat prov, en elektrisk spänning appliceras, och genom laserpulser fältförångas de yttersta atomerna och detekteras. Genom att mäta tiden till detektorn kan både typ av atom och ursprunglig position avgöras – och därigenom fås provets ursprungliga sammansättning i en 3D-rekonstruktion. Målen med projektet är att: - öka förståelsen för hur litiumdendrit-tillväxt initieras och fortgår. - designa (nya) elektrolyter och/eller ytstrukturer som förhindrar/avsevärt reducerar dendrittillväxt under realistiska förhållanden (cyklingshastigheter, temperatur etc). Projektet utförs som ett samarbete mellan avdelningarna för kondenserade materiens fysik och materialens mikrostruktur på institutionen för teknisk fysik på Chalmers tekniska högskola. Därmed kombineras internationellt erkänd expertis inom litium-batteriforskning, speciellt med avseende på elektrolyter, med specialistkompetens inom högupplösande spektroskopimetoder på metalliska material.

Participants

Jonathan Weidow (contact)

Universitetslektor at Applied Physics

Funding

ÅForsk (Ångpanneföreningens Foundation for Research and Development)

Funding years 2014–2015

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Latest update

2015-11-04