Stensalt-lignende materialer kan potentielt fordoble kapaciteten på Li-batterier

Stensalt-lignende materialer kan potentielt fordoble kapaciteten på Li-batterier

tirsdag 25 jul 17

Kontakt

Poul Norby
Professor
DTU Energi
46 77 47 26

Helt nye materialer med en stensalt-type struktur kan potentielt kan fordoble kapaciteten på Li-batteriers katoder, hvilket kan få stor betydning for mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler, der bruger litiumbatterier.

Litiumbatterier har støt voksende indflydelse på vores hverdag, fra batterier i smartphones og computere over elbiler og køkkenredskaber til storskala opbevaring af overskydende energi fra vindmøller og solceller.

Et højkapacitets elektrodemateriale baseret på vanadium oxyfluorid, Li2VO2F, har for nylig tiltrukket sig stor interesse, da det potentielt kan fordoble kapaciteten af litiumbatteri-katodematerialer og derved have en potentielt stor indvirkning på det moderne batteridrevne samfund.

Batterier frigiver strøm ved afladning, når positivt ladede ioner bevæger sig inde i batteriet fra anode (-) til katode (+). Det nye materiale kan frigive dobbelt så mange elektroner som eksisterende katodetyper til litiumbatterier, der bruges i elbiler, mobiltelefoner mm.

"Strukturen er overraskende stabil, selv om man trækker 2/3 af kationerne ud af det tætpakkede materiale. "
Poul Norby, Professor, DTU Energi

Dobbelt så mange flytbare elektroner

Nyere batterityper bruger normalt katodematerialer, som består af litiumholdige mangan-, nikkel- og/eller koboltoxider, eller litium jern fosfater. Når litium ion batterier oplades tilføres positivt ladede elektroner til systemet, så der opstår et overgangsmateriale. F.eks. når jernatomer i den positive elektrode ændres fra Fe2+ til Fe3+ og litium bindes i den negative elektrode.

”Den elektriske energi, som man tilfører batteriet, lagres derved som kemisk energi”, siger professor Poul Norby, DTU Energi, som var leder af det netop overståede EU-finansierede forskningsprojekt Hi-C. Projekt Hi-C studerede grænseflader i batterier og superkapacitorer, der har stor betydning for batteriers stabilitet, lagring og ikke mindst transport af ioner og elektroner, og et af projektets resultater var tyske forskere fra Karlsruher Institut für Technologie og Varta Microbattery (KIT)’s opdagelse af en ny gruppe materialer baseret på stensalt-strukturen vanadiumoxyfluorid, Li2VO2F.

Batterimaterialers anvendelsesmuligheder er typisk begrænset af, at hvert metalatom kun kan afgive eller modtage én ekstra elektron, som når jernatomer ændres fra Fe2+ til Fe3+, uden at strukturen af materialet ændrer sig. Men vanadium i den synteserede Li2VO2F kan oxideres fra V3+ -> V4+ og igen fra V4+ -> V5+. Med det nye Li2VO2F materiale kan man dermed trække dobbelt så mange elektroner ud af et materiale og potentielt fordoble kapaciteten af litiumbatteriers katode.

Samtidig kan man flytte Li-ioner i Li2VO2F uden at bindinger eller volumen i materialet ændres meget.

Flytte ioner uden ændringer

”I modsætning til de mere konventionelle materialer trækker man her ioner ud af et tætpakket materiale, og det er ikke nemt at forklare, hvorfor det virker så godt som det gør”, fortæller leder professor Poul Norby, der sammenligner de klassiske litiumbatterimaterialer med en badesvamp eller et spil kort.

”Optagelse og afgivelse af litium i nuværende litium ion batterier sker hovedsagelig som en såkaldt interkalationsproces i enten 3-dimensionale eller lagdelte materialer. Forestil dig en svamp med vand. Du klemmer svampen sammen og tømmer den for vand, men det, du har tilbage, hænger stadig sammen som den oprindelige svamp. Eller forestil dig et stablet spil kort, hvor du stikker en kniv ind mellem to af kortene og tager den ud igen. Kortene har ikke ændret form og den lagdelte struktur er den samme. Det er utrolig smart, for det betyder, at man kan oplade og aflade et batteri uden at materialerne ændrer struktur eller form”, siger Poul Norby.

”I de nye materialer foregår processen med at trække litium ud på an anden måde, men strukturen er overraskende stabil, selv om man trækker 2/3 af kationerne ud af det tætpakkede materiale. Det er noget af det, som vi gerne vil forstå, og en af grundende til at vi har både eksperimentel og teoretisk forskning med i studierne af disse materialer.”

Derfor har forskerne fra Karlsruher Institut für Technologie og Varta Microbattery (KIT) har ført resultaterne fra Hi-C projektet over i et andet EU-finansieret projekt LiRichFCC (LiRichFCC, “A new class of powerful materials for electrochemical energy storage: Lithium-rich oxyfluorides with cubic dense packing”).

”Det nye projekt fokuserer på de nye materialer, for potentialet er stort. Fire af partnerne fra Hi-C deltager i det nye projekt. Vi er fem forskere fra DTU Energi involveret i det projekt, og vi er ret fortrøstningsfulde”, siger professor Poul Norby.

Det overståede projekt Hi-C havde deltagelse af otte europæiske universiteter og virksomheder fra Sverige, UK, Danmark, Tyskland og Frankrig. Budgettet var 6,3 mio. euro, heraf 4,6 mio. euro fra EU.

Projekt Hi-C

De otte partnere i ”Novel in situ and in operando techniques for characterization of interfaces in electrochemical storage systems”, forkortet Hi-C, var DTU og Haldor Topsøe A/S fra Danmark, Université François Rabelais de Tours og Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) fra Frankrig, Karlsruher Institut für Technologie og Varta Microbattery GMBH fra Tyskland, det svenske Uppsala Universitet og engelske Uniscan Instruments Ltd, der nu hedder Bio-Logic Science Instruments Ltd.  Projektet var støttet af EU under programmet FP7.

Projekt Hi-C’s primære mål var at:

  • Forstå de vigtige grænseflader i et fungerende batteri på en atomar og molekylær skala.
  • Karakterisere dannelsesstruktur og dannelse af grænseflader i batteriet in situ.
  • Udarbejde metoder til at kontrollere og designe grænsefladedannelse, stabilitet og egenskaber.
  • Fremstille ionledende membraner for at studere de mekaniske og elektrokemiske egenskaber.

Projektet var yderst succesfuldt og resulterede ud over opdagelsen af de nye typer stensalte, der potentielt kan fordoble kapaciteten i litiumbatteriers katodematerialer, også i nye og meget bedre analysematerialer og nyt avanceret analyseudstyr i form af bedre prober, nye celleopbygninger og et smart system til at bruge akustiske bølger til at aflæse, hvor meget strøm der er tilbage på batterier. Læs mere om resultaterne her www.hi-c.eu

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
http://www.energy.dtu.dk/Nyheder/Nyhed?id=34b2e6a8-d4e3-4112-b45b-9c08b2477aea
25 SEPTEMBER 2017