Dansk forskningssucces: Kan se reaktioner inde i batterier - mens de er i brug

Grænsefladerne i et batteri betyder meget for ydelsen, men har hidtil været svære at studere.

Men nu har DTU Energi med succes lavet en celle, der in-situ kan følge med inde i batteriet, mens det er tændt, så man kan observere og studere iontransporten i batteriets grænseflader. Cellen kan forskerne nu sætte på batterier, og det gør dem i stand til at følge de kemiske reaktioner, der foregår inde i batteriet, live.

»I batteriet har man en elektrode og en elektrolyt – og på grænsefladen mellem dem sker der nogle kemiske reaktioner. Der bliver dannet lag, der både kan hindre bevægeligheden af lithium og beskytte elektroderne. Nogen af dem er nødvendige for batterierne – og vi har kigget på dannelsen og strukturen af de lag,« siger Poul Norby, professor ved DTU Energi.

De danske batteriforskere har mest fokuseret på, hvad der sker i grænsefladerne omkring batteriets elektrode. Derfor designede de en speciel celle, der giver dem mulighed for at observere reaktionerne, mens de sker.

»Den celle, vi har lavet, bruger vi til at kigge på, hvad der sker strukturelt inde i elektroderne. Der er grænseflader mellem de forskellige korn inde i elektroderne, men også inde i de enkelte elektrodematerialepartikler, hvor grænserne mellem lithium-rige og lithium-fattige domæner ændrer sig, når der sker en indsættelse og fjernelse af lithium,« forklarer Poul Norby.

Forsøget er udført som led i et stort samarbejde ved navn Hi-C, som går på tværs af både europæiske grænser og organisationer. Formålet var at undersøge, forstå, kontrollere og manipulere batteriernes grænseflader, hvilket deltagerne forsøgte på forskellig vis.

Forskningen vil kunne give en ny indsigt i batteriers indre elektrokemi, så det i fremtiden vil kunne blive muligt at lave mere sikre og holdbare batterier. Forskerne har også kigget på, hvilke materialer der kunne være særligt egnede til batterier i fremtiden.

Hele projektet har grundlæggende handlet om at etablere forskellige metoder til at kigge på de mange grænseflader, der er i et batteri. Grænsefladerne findes flere steder i batteriet, og et batteris ydelse kan ofte være hæmmet af netop grænsefladernes evne til at transportere ioner og elektroner.

Flere store fund

Ud over de danske resultater har også andre deltagere i forsøget vist spændende fremskridt.

Det fransk-britiske firma Bio-Logic Science Instruments har udviklet et Scanning Electrochemical Microscope (SECM150), der elektrokemisk kan måle præcist ned til 100 picoampere med under 0,5 pct. unøjagtighed. Selskabet bag har allerede startet kommerciel produktion af SECM150.

Nyt i dit PLUS-abonnement: Radar er techs politiske forsamlingshus

Fra Radar

»Det ventes, at vi vil sælge fire gange så mange SECM150'er som nuværende SECM-instrumenter, hvilket vil øge efterspørgslen efter de kapillærbaserede testsonder, vi udviklede under Hi-C-projektet, markant,« siger John Griffths, daglig leder på Bio-Logic Science Instruments, til DTU.

SECM150 giver forskere mulighed for på atomart niveau at se atomers placering og krystaldannelse inde i batteriet, mens det er tændt.

Kan aflæse batteridata med lyd

Forskere fra Commissariat é l’Energie Atomique (CEA) i Frankrig har udviklet en metode til at se, hvor meget strøm der er i et batteri live vha. ultralyd. Teknikken kan anvendes på en række forskellige lithiumbatterier bl.a. i elektriske biler og cykler.

Fordelen er, at man uden at skille noget ad blot med lydbølger vil kunne få en præcis måling på, hvor meget strøm der er tilbage i batteriet. Det fungerer ved, at ultrasoniske sensorer kan opfange akustiske bølger, der skyldes ændringer i batterierne.

Selv om forskere har arbejdet på forskellige løsninger, har de alle haft et fælles udgangspunkt og et fælles mål.

»De fleste af de metoder, som vi har udviklet, er til avanceret karakterisering af batterier under drift, så man kan undersøge f.eks, hvor det går galt, og hvordan man kan forbedre det,« konkluderer Poul Norby.

Det omfattende projekt har kostet næsten 46 millioner kroner, hvoraf EU har betalt 75 pct. af udgifterne.