Sørkoreanske forskere utvikler anodefritt faststoffbatteri som bare er 2,77 mikrometer tykt

Batteriet danner anoden under lading

Studien, som er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Advanced Energy Materials under tittelen «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», handler om å kontrollere hvordan litium avsettes i faststoffbatterier. I et konvensjonelt litiumionbatteri er anoden og katoden separate, og litiumioner beveger seg mellom dem under lading. Den nye konstruksjonen har ikke noe konvensjonelt anodelag når batteriet produseres. Ved første lading beveger litium seg fra katoden til strømkollektoren og danner et lag av metallisk litium på den.

Denne løsningen gjør det mulig å redusere batteriets størrelse og øke mengden energi som lagres per volumenhet. Problemet er imidlertid at ujevn litiumavsetning kan føre til kapasitetstap og interne kortslutninger.

Tinn og karbon øker batteriets stabilitet

Forskernes løsning bruker en strømkollektor av kobber som de har påført et ultratynt mellomsjikt av tinn og karbon.

Tinn bidrar til å sette i gang avsetningen av litium, mens karbon bidrar til å fordele litiumet jevnere. Det reduserer risikoen for at det dannes uregelmessige litiumstrukturer under lading, eller at litium blir elektrisk isolert og ikke lenger bidrar til energilagringen. Forskerne brukte også forhåndslitiering og tilførte systemet en liten litiumreserve for å kompensere for irreversible tap i de første driftssyklusene.

Prototypen kombinerer en katode av litiumvanadiumoksid med en fast elektrolytt av LiPON-typen. Katoden er omtrent 2 mikrometer tykk, mens hele battericellen er 2,77 mikrometer tykk.

Etter 100 lade- og utladingssykluser oppnådde cellen en volumetrisk energitetthet på 235,13 Wh/l. Testingen ble utført med svært lav strømstyrke og en ladehastighet på 0,01 C.

Energitettheten er ennå ikke høy nok for elbiler

Selv om resultatet viser en ny måte å utvikle faststoffbatterier på, er 235 Wh/l ikke et spesielt høyt tall etter dagens standarder for elbiler.

Moderne litiumionbatterier kan oppnå energitettheter på flere hundre Wh/l på cellenivå. Dongguk-prototypen kan derfor ikke regnes som en direkte konkurrent til elbilbatteriene som utvikles av Toyota, CATL eller andre store batteriprodusenter.

Prinsippet bak konstruksjonen er viktigere. En anodefri konstruksjon kan redusere materialbruken og gjøre det mulig å lage mer kompakte battericeller i fremtiden.

For den nåværende prototypen gjenstår det imidlertid spørsmål om holdbarhet over tid, lading med høy strømstyrke, produksjonskostnader og tilpasning av teknologien til batteriproduksjon i stor skala.

Den nye løsningen kan være særlig egnet for bærbar elektronikk, medisinsk utstyr og små sensorer, der batteriets størrelse ofte er viktigere enn energitettheten.

En viktig forskningsretning for Europas batteriindustri

Europeiske batteriprodusenter og bilkonsern investerer i faststoffbatterier i håp om å øke rekkevidden, bedre sikkerheten og redusere avhengigheten av konvensjonelle litiumionbatterier.

Arbeidet ved Dongguk-universitetet viser likevel at faststoffbatteriers suksess ikke bare avhenger av nye elektrolytter. Det er minst like viktig å kontrollere prosessene i grenseflatene mellom elektrodene.

Studiens egentlige verdi ligger ikke i energitettheten på 235 Wh/l, men i muligheten til å gjøre et anodefritt batteri mer stabilt. Hvis forskerne kan bruke det samme prinsippet i større celler og ved høyere ladestrøm, kan det bidra til utviklingen av neste generasjons batterier.

Foreløpig er teknologien fortsatt på laboratoriestadiet. Den må videreutvikles betydelig før den kan tas i bruk i elbiler.