Nye batterier kan forbedres med træfibre

Illustration: Sanne Wittrup

Solidstate-batteriet er for længst blevet udråbt til afløseren for de kendte lithiumion-batterier. Princippet er her, at den flydende elektrolyt er blevet udskiftet med en fast elektrolyt, som er meget tyndere og dermed kan batteriet samlet set lagre mere energi, både i forhold til vægt og volume.

Men solidstate-batteriet kommer ikke på markedet uden løsninger på en række afgørende punkter. Et af dem er at sikre god kontakt mellem elektroderne og elektrolytten, samtidig med at elektrolytten er i stand til at leder ionerne.

Læs også: Pengene flyder til solid state-batterier

Traditionelt har keramiske materialer været brugt, fordi de er rigtig gode ionledere. Men da solidstate-batterier har det med at ændre størrelse ved op- og afladning, er der risiko for at miste kontakten mellem de skrøbelige keramiske materialer og elektroderne. Omvendt kan rene polymere, hvor kontakten er god mellem elektroderne, også bruges i solidstate-batterier. Men den type polymere er ikke særlig gode ion-ledere.

Derfor har forskere ved Brown University og the University of Maryland vist, hvordan et nyt materiale, hvor kobber og polymere nanofibre baseret på træ kombineres, kan lede ioner 10 til 100 gange bedre end kendte rene polymere og på niveau med de keramiske elektrolytter.

Læs også: Solid state-batteriet kan revolutionere elbilerne: Nu bygges fabrikkerne

Her er forskellen på traditionelle lithiumion-batterier med flydende elektrolyt (t.v) og solidstate-batterier med fast elektrolyt vist i Samsungs version Illustration: Samsung SDI

Det sker ved en åbningen af ​​molekylære kanaler, som muliggøre transport af lithiumioner langs polymerkæderne. Derfor mener de, at det vil kunne være en mulig løsning på problemet:

»Ved at inkorporere kobber med endimensionelle cellulosenanofibre, har vi vist, at cellulose, der normalt er elektrisk isolerende, giver mulighed for at hurtigere lithium-ion-transport. Faktisk fandt vi, at materialets ionledende evne er rekordhøj sammenlignet med alle fast polymere elektrolytter,« siger Liangbing Hu, professor ved University of Marylands afdeling for Materialevidenskab og Teknik.

Læs også: Kinesisk elbil klar med solidstate-batterier i 2022

Det nye materiale har yderligere den fordel, at det hæfter godt til batteriets katode. Dette er vigtigt i nye batterier med høj kapacitet, da disse har relativt tykke katoder, hvilket kan forringe deres ledningsevne og dermed effektiviteten. Derfor arbejder man med at indkapsle katoderne i et ionledende bindingsmateriale. Forskerne har vist, at de med det nye kobber/cellulose-materiale har udviklet den tykkeste funktionelle katode, der endnu er set.

Forskningen er offentliggjort i Tidsskriftet Nature.