Utilstrækkelig batteritid er en begrænsende faktor for ikke mindst smartphones og elbiler. Men det kan ny forskning fra det amerikanske Stanford University vende op og ned på.
Her er det lykkedes et hold forskere at skabe en stabil og langtidsholdbar anode ud af ren lithium, og det har potentiale til at forbedre batteritiden for genopladelige lithium-ion-batterier væsentligt. Forskningsresultatet er desuden offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology. Det fremgår af en meddelelse på universitetets hjemmeside.
Batterier består af tre grundlæggende komponenter: to elektroder, en anode og en katode, samt en elektrolyt. Under opladningen af lithium-ion-batterier tiltrækkes lithium-ionerne til den negativt ladede anode, hvor de samles og bliver frigivet under afladning.
Det kaldes et lithium-ion-batteri, fordi der er lithium i elektrolytten, mens anoden typisk er fremstillet af grafit eller silicium. Men forskere har længe arbejdet på at udvikle en anode lavet af lithium i stedet. Netop det er nu lykkedes for forskerne ved Stanford.
»Af alle de materialer, man kunne tænkes at bruge i en anode, har lithium det største potentiale. Nogle kalder det den hellige gral,« siger leder af forskerholdet Yi Cui ifølge hjemmesiden og fortsætter:
»Det er meget let, og det har den højeste energitæthed. Du får mere energi pr. volumen og vægt, hvilket medfører lettere, mindre batterier med mere energi.«
Ifølge mediet Extreme Tech er der på baggrund af forskernes arbejde potentiale til at forbedre batteritiden tre-fire gange. Amerikanske PC World citerer Cui for, at teknologien kan være kommercielt klar i løbet af fem år. Desuden fortæller han til mediet, at opdagelsen kan få indflydelse på energilagring i elnettet.
Problemer med lithium
Indtil nu har der dog været flere problemer forbundet med at bruge lithium ved anoden. Dels udvider lithium-ionerne sig meget og ujævnt ved anoden, hvilket skaber sprækker i overfladen. Disse sprækker tillader lithium-ionerne at undslippe og danne dendritter, der kan skabe kortslutning og forkorte batteriets levetid.
Desuden er lithium yderst kemisk reaktivt med elektrolytten, hvilket også forkorter batteriets levetid. Og endelig producerer anoden og elektrolytten varme, når de kommer i kontakt. Det bevirker, at også de lithium-ion-batterier, der bliver brugt i dag, kan overophede og sågar eksplodere.
Forskerne har løst udfordringerne ved at lægge et lag af karbon-kupler hen over lithium-anoden. Kuplerne har fået navnet nanosfærer, og de minder om den sekskantede bikubestruktur.
Nanosfærerne fungerer som en ensartet, ikkereagerende film hen over anoden, der beskytter det ustabile lithium.
»Det ideelle beskyttende lag til en lithium-metal anode skal være kemisk stabilt for at beskytte det mod de kemiske reaktioner med elektrolytten og mekanisk stærkt for at modstå udvidelsen af lithiummet under opladning,« siger Cui.
Stanford-forskernes nanosfærer skulle netop besidde disse egenskaber: stærke, fleksible og kemisk stabile.
