Sydkoreanske forskere udvikler anodefrit faststofbatteri på blot 2,77 mikrometer

Batteriet danner sin anode under opladning

Studiet, der er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Advanced Energy Materials under titlen “Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”, handler om at kontrollere aflejringen af lithium i faststofbatterier. I et konventionelt lithiumionbatteri er anoden og katoden adskilte, og lithiumioner bevæger sig mellem dem under opladning. Det nye design har ikke noget konventionelt anodelag, når batteriet fremstilles. Ved den første opladning bevæger lithium sig fra katoden til strømkollektoren og danner et lag af metallisk lithium på den.

Metoden gør det muligt at reducere batteriets størrelse og øge den lagrede energi pr. volumenenhed. Problemet er dog, at lithium kan aflejres ujævnt, hvilket kan føre til kapacitetstab og interne kortslutninger.

Tin og kulstof forbedrer batteriets stabilitet

Forskernes løsning består af en strømkollektor af kobber, som de har forsynet med et ultratyndt mellemlag af tin og kulstof.

Tin hjælper med at sætte aflejringen af lithium i gang, mens kulstof bidrager til at fordele lithium mere jævnt. Det mindsker risikoen for, at der dannes uregelmæssige lithiumstrukturer under opladning, eller at lithium bliver elektrisk isoleret og ikke længere bidrager til energilagringen. Forskerne brugte også prælitiering, hvor en lille reserve af lithium tilføjes systemet for at kompensere for irreversible tab i de første driftscyklusser.

Prototypen kombinerer en katode af lithiumvanadiumoxid med en fast elektrolyt af LiPON-typen. Katoden er cirka 2 mikrometer tyk, mens hele battericellen måler 2,77 mikrometer i tykkelsen.

Efter 100 op- og afladningscyklusser opnåede cellen en volumetrisk energitæthed på 235,13 Wh/l. Testen blev udført ved en meget lav strømstyrke med en ladehastighed på 0,01 C.

Energitætheden er endnu ikke tilstrækkelig til elbiler

Selv om resultatet viser en ny tilgang til udviklingen af faststofbatterier, er 235 Wh/l ikke et usædvanligt højt tal målt efter standarden for nutidens elbiler.

Moderne lithiumionbatterier kan opnå energitætheder på flere hundrede Wh/l på celleniveau. Prototypen fra Dongguk kan derfor ikke betragtes som en direkte konkurrent til de elbilbatterier, der udvikles af Toyota, CATL og andre store batteriproducenter.

Det bagvedliggende designprincip er vigtigere. En anodefri konstruktion kan reducere materialeforbruget og på sigt gøre mere kompakte battericeller mulige.

For den nuværende prototype er der dog fortsat spørgsmål om holdbarhed på lang sigt, opladning ved høj strømstyrke, produktionsomkostninger og tilpasning af teknologien til batteriproduktion i stor skala.

Den nye tilgang kan være særligt velegnet til bærbar elektronik, medicinsk udstyr og små sensorer, hvor batteriets dimensioner ofte er vigtigere end energitætheden.

En vigtig forskningsretning for Europas batteriindustri

Europæiske batteriproducenter og bilkoncerner investerer i faststofbatterier i håb om at øge rækkevidden, forbedre sikkerheden og mindske afhængigheden af konventionelle lithiumionbatterier.

Arbejdet fra Dongguk University viser dog, at faststofbatteriers succes ikke alene afhænger af nye elektrolytter. Det er mindst lige så vigtigt at kontrollere processerne ved elektrodernes grænseflader.

Studiets egentlige værdi ligger ikke i energitætheden på 235 Wh/l, men i muligheden for at gøre et anodefrit batteri mere stabilt. Hvis forskerne kan anvende samme princip i større celler og ved højere ladestrøm, kan det bidrage til udviklingen af næste generations batterier.

Indtil videre er teknologien stadig på laboratoriestadiet. Den kræver betydelig videreudvikling, før den kan bruges i elbiler.