Aleksandar Matic

– Vi har öppnat ett nytt fönster för att kunna förstå, och på sikt optimera, framtidens litium­metall­batterier, säger Aleksandar Matic.

Han är professor vid institutionen för fysik på Chalmers och ledare för en vetenskaplig studie som nyligen publicerades i Nature Communications.

–  När vi kan studera exakt vad som händer med litiumet i en battericell i drift får vi viktig kunskap om vad som påverkar det inre livet.

Forskarlaget 3D-röntgade i realtid en specialdesignad battericell med hjälp av röntgentomografi.

Det finns stora förväntningar på att nya batteri­koncept, som litium­metall­batterier, ska kunna ersätta dagens litiumjon­batterier. Målet är att få fram mer energi­täta, lätta och säkra batterier som tar oss längre till en lägre kostnad – både ekonomiskt och miljö­mässigt.

Till exempel brukar fas­tfas­batterier, litium­svavel­batterier och litium­syre­batterier lyftas fram som lovande alternativ.

Forskarna kunde följa förändringar i litiummetallens struktur i realtid.

Alla dessa koncept bygger på att den ena batteripolen, anoden, består av en tunn folie av metallen litium i stället för grafit som i dagens batterier.

Utan grafit blir battericellen lättare och med ren litiummetall på ena batteripolen blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet på den andra polen, katoden. Därmed går det att uppnå tre till fem gånger så hög energitäthet.

Litium­metall­batterier brottas dock med ett avgörande problem. När batteri­celler laddas upp eller ur lägger sig litiumet inte alltid så slätt och tätt som det ska.

Ofta bildar litiumet i stället strukturer som kan liknas vid fluffig mossa där delar av formationen kan tappa kontakten och därmed blir inaktiv.

Ibland bildas i stället upp­stickande ojämnheter, dendriter, som dels riskerar att nå den andra batteripolen och därmed orsaka en kortslutning, dels att isoleras och bli inaktiva.

Därför är det avgörande att förstå när, hur och varför dessa störningar uppstår. 

Matthew Sadd

– För att tekniken ska kunna användas i nästa generations batterier behöver vi se hur en cell påverkas av till exempel ström­täthet, valet av elektrolyt eller antalet upp- och urladdningar. Nu har vi ett verktyg för att göra det

Det säger Chalmers­forskaren Matthew Sadd, som tillsammans med kollegan Shizhao Xiong är huvud­författare till den nya studien. 

Experimentet med att följa hur litium­strukturer bildas genomfördes vid the Swiss Light Source utanför Zürich i Schweiz.

Det var med spänd förväntan som forskarna förberedde sin special­anpassade batteri­cell för att studera när litium deponeras – i realtid och i 3D med hjälp av röntgen­tomografi.

Även om många forskare velat studera litium­metall i en battericell under drift, var det hittills inte någon som kunnat göra det. Om det lyckades innebar det ett stort steg framåt, jämfört med att i efterhand analysera mikroskopi­bilder.

– Det var magiskt, en riktig wow-upplevelse, när vi med egna ögon kunde se att det fungerade vid första försöket. När litiumet skapade stora strukturer, som bergs­formationer, kändes det nästan som att vara med i ett mån­landar­projekt. Vi har länge velat följa batteriernas inre liv i realtid. Nu är det möjligt, säger Aleksandar Matic.

Nu siktar forskar­laget på att testa tekniken på andra batteri­koncept och förhoppningen är att den nödvändiga röntgen­tekniken på sikt även ska finnas på närmare håll, till exempel på det svenska Max IV-laboratoriet, som är en nationell forskningsanläggning för avancerad röntgenteknik.

– Vi är peppade på att utveckla metoden för att kunna mäta fortare och med högre upplösning för att se finare strukturer. För att kunna använda litiummetallbatterier på ett storskaligt och säkert är detta en viktig pusselbit. Det är många aktörer som tittar på litium­metall­konceptet för sina kommande prototyper, säger Aleksandar Matic.

Läs hela nyheten på Chalmers med referenser, mer bak­grund, kontaktuppgifter och en fin faktaruta.

Foto: Chalmers tekniska högskola