Batteriernas inre liv avslöjas i realtid med ny 3D-röntgen

Det krävs nyskapande batteridoktorer för att kunna 3D-röntga ett lovande men lynnigt litiummetallbatteri under drift. Nu har ett forskarlag från Chalmers i realtid lyckats följa hur litiumet i en battericell beter sig vid upp- och urladdning. Den nya metoden kan bidra till både säkrare och mer energieffektiva batterier i våra framtida bilar och prylar.

– Vi har öppnat ett nytt fönster för att kunna förstå – och på sikt optimera – framtidens litiummetallbatterier. 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, säger Aleksandar Matic, professor vid institutionen för fysik på Chalmers och ledare för den vetenskapliga studie som nyligen publicerades i Nature Communications.

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. 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.

Litiumet bygger oönskade strukturer

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. 

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

Spänd förväntan inför första inblicken

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.

Viktig pusselbit för storskalig användning

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.
 

Mer om forskningen

• Artikeln Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic  microscopy har publicerats i Nature Communications och är skriven av Matthew Sadd, Shizhao Xiong, Jacob R. Bowen, Federica Marone och Aleksandar Matic. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Xnovo Technolgy ApS i Danmark och Paul Scherrer Institute vid Swiss Light Source i Schweiz.
• Forskningen har finansierats av Vinnova, kompetenscentrumet BASE och Chalmers styrkeområde för energi.
• Aleksandar Matics forskargrupp på Chalmers har, i samarbete med internationella kollegor, publicerat flera resultat kring hur litium fördelar sig vid upp- och urladdning av litiummetallbatterier, till exempel Insight Into The Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behaviour of Lithium Metal  i Advanced Science och Role of Li‐Ion Depletion on Electrode Surface: Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anodei Advanced Energy Materials.
   

Mer om dagens och nästa generations batterier

• I jakten på nästa generations energitäta och resurssnåla batterier är litiummetallbatterier ett av flera lovande koncept. Förhoppningen är att den nya batteritypen ska ersätta dagens litiumjonbatterier, inte minst i olika typer av elfordon. Målet är att få fram energitäta och säkra batterier som tar oss längre till en lägre kostnad – både ekonomiskt och miljömässigt.
• I litiumjonbatterier lagras litiummetallen i ämnet grafit, som i sig inte bidrar till aktiviteten. I litiummetallbatterier har grafiten ersatts av ren litiummetall, vilket gör battericellen mer aktiv, energität och dessutom lättare. Med litiummetall på ena batteripolen blir det också möjligt att använda material med hög kapacitet på den andra polen, katoden. Det hela kan resultera i en battericell med tre till fem gånger så hög energitäthet som dagens batterier.
• Fastfasbatterier, litiumsvavelbatterier och litiumsyrebatterier är tre exempel som ofta lyfts fram. I alla dessa koncept behöver litiummetall användas på anodsidan för att matcha kapaciteten i katoden och maximera energitätheten i cellen.
• Än så länge bedömer forskarna att genombrottet för nästa generations batterier ligger minst tio år bort.
• På Chalmers bedrivs forskning inom en rad projekt inom batteriområdet och forskarna deltar i både nationella och internationella samarbeten som det svenska kompetenscentrumet BASE och den stora europeiska satsningen 2030+ i projektet BIGMAP.