Sydkoreanska forskare utvecklar anodfritt fastfasbatteri som bara är 2,77 mikrometer tjockt

Batteriets anod bildas vid laddning

Studien, som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Energy Materials under titeln ”Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”, handlar om att kontrollera hur litium avsätts i fastfasbatterier. I ett konventionellt litiumjonbatteri är anoden och katoden separata, och litiumjoner rör sig mellan dem vid laddning. Den nya konstruktionen saknar ett konventionellt anodskikt när den tillverkas. Vid den första laddningen rör sig litium från katoden till strömkollektorn och bildar ett skikt av metalliskt litium på den.

Det gör det möjligt att minska batteriets storlek och öka mängden energi som lagras per volymenhet. Problemet är dock att litium kan avsättas ojämnt, vilket kan leda till kapacitetsförlust och interna kortslutningar.

Tenn och kol förbättrar batteriets stabilitet

Forskarnas lösning bygger på en strömkollektor av koppar som de har försett med ett ultratunt mellanlager av tenn och kol.

Tenn hjälper till att inleda avsättningen av litium, medan kol bidrar till att fördela det jämnare. Det minskar risken för att oregelbundna litiumstrukturer bildas vid laddning eller att litium blir elektriskt isolerat och inte längre bidrar till energilagringen. Forskarna använde också prelithiering och tillförde en liten litiumreserv till systemet för att kompensera för oåterkalleliga förluster under de första användningscyklerna.

Prototypen kombinerar en katod av litiumvanadinoxid med en fast elektrolyt av LiPON-typ. Katoden är cirka 2 mikrometer tjock, medan hela battericellen har en tjocklek på 2,77 mikrometer.

Efter 100 laddnings- och urladdningscykler uppnådde cellen en volymetrisk energitäthet på 235,13 Wh/l. Testerna genomfördes med mycket låg ström, vid en laddningshastighet på 0,01 C.

Energitätheten räcker ännu inte för elbilar

Även om resultatet visar en ny metod för att utveckla fastfasbatterier är 235 Wh/l ingen anmärkningsvärt hög siffra med dagens elbilar som måttstock.

Moderna litiumjonbatterier kan nå energitätheter på flera hundra Wh/l på cellnivå. Prototypen från Dongguk kan därför inte betraktas som en direkt konkurrent till de elbilsbatterier som utvecklas av Toyota, CATL eller andra stora batteritillverkare.

Den bakomliggande konstruktionsprincipen är viktigare. En anodfri konstruktion skulle kunna minska materialåtgången och möjliggöra mer kompakta battericeller i framtiden.

För den nuvarande prototypen återstår dock frågor om hållbarhet på lång sikt, laddning med höga strömmar, produktionskostnader och hur tekniken ska anpassas till storskalig batteriproduktion.

Den nya metoden skulle kunna vara särskilt lämplig för bärbar elektronik, medicintekniska produkter och små sensorer, där batteriets storlek ofta är viktigare än energitätheten.

En viktig forskningsinriktning för Europas batteriindustri

Europeiska batteritillverkare och fordonskoncerner investerar i fastfasbatterier i hopp om att öka räckvidden, förbättra säkerheten och minska beroendet av konventionella litiumjonbatterier.

Arbetet vid Dongguk University visar dock att framgången för fastfasbatterier inte enbart beror på nya elektrolyter. Att kontrollera processerna vid elektrodgränsytorna är minst lika viktigt.

Studiens verkliga värde ligger inte i energitätheten på 235 Wh/l, utan i möjligheten att göra ett anodfritt batteri mer stabilt. Om forskarna kan tillämpa samma princip på större celler och vid högre laddningsströmmar kan det bidra till utvecklingen av nästa generations batterier.

Än så länge finns tekniken kvar i laboratoriet. Den skulle behöva vidareutvecklas betydligt innan den kan användas i elbilar.