Chalmers-genombrott för framtidens elbilsbatterier
Nästa generations elbilar kommer inte att drivas av konventionella litiumjonbatterier, utan av så kallade solid state-batterier som ska kunna laddas blixtsnabbt och hålla mycket hög kapacitet, samtidigt som de inte innehåller någon brand- eller miljöfarlig vätska. Men exakt hur de ska konstrueras har länge varit ett olöst problem.
Nu presenterar forskare vid Chalmers tekniska högskola och Xi’an Jiaotong-universitetet i Kina ett sätt som tar det solid state-tekniken närmare storskalig produktion. Med hjälp av ett bredbart mellanlager i batteriet blir strömtätheten tio gånger så hög, samtidigt som både prestandan och säkerheten förbättras markant. Det skriver Chalmers i ett pressmeddelande.
– Mellanlagret gör att battericellen blir betydligt mer stabil och därför klarar hög strömtäthet. Det är också avgörande att det är så enkelt att breda ut den mjuka massan på litiummetallen i batteriet. Det är lika lätt som att bre smör på en smörgås, säger forskaren Shizhao Xiong på institutionen för fysik på Chalmers.
Han har under lång tid arbetat tillsammans med Chalmersprofessorn Aleksandar Matic och professor Songs forskargrupp i Xi’an för att få fram ett lämpligt mellanlager till solid state-batterier.
Förenklat kan ett solid state-batteri liknas vid en torr macka. Ett lager av metallen litium fungerar som brödskiva och ovanpå läggs ett keramiskt ämne som fungerar som pålägg. Det hårda pålägget är batteriets fasta elektrolyt som ska transportera jonerna mellan batteriets plus- och minuspoler.
Den torra smörgåsen har inte bara svårt att hålla ihop på ett bra sätt, den bjuder också på allvarliga former av skav mellan bröd och pålägg. Ett stort antal forskare runtom i världen arbetar därför med att ta fram lämpliga mellanlager som kan förbättra egenskaperna, öka strömtätheten och höja säkerheten.
Den bredbara massa som forskarna i Göteborg och Xi’an nu presenterar fungerar som ett supersmör. Massan består av nanopartiklar av den keramiska elektrolytens material, LAGP, som har blandats med en jonisk vätska som kapslar in nanopartiklarna och gör mellanlagret mjukt och skyddande. Massan har ungefär samma konsistens som kylskåpskallt smör, fyller flera funktioner och breds på med hjälp av ett enkelt verktyg.
Även om solid state-batteriernas potential är välkänd, saknas det än så länge ett etablerat sätt att få dem tillräckligt stabila, speciellt vid hög strömtäthet när man tar ut mycket energi snabbt ur en battericell. Chalmersforskarna ser en stor potential i det nya mellanlagret.
– Det här är ett viktigt steg på vägen mot att storskaligt kunna tillverka kostnadseffektiva, säkra och miljövänliga batterier som levererar hög kapacitet och kan laddas upp och ur i snabb takt, säger Aleksandar Matic, professor på institutionen för fysik på Chalmers.
Han spår att solid state-batterier kommer att finnas på marknaden inom fem år.
De nya resultaten presenterades nyligen i den ansedda vetenskapliga tidskriften Advanced Functional Materials.