The new Scanning Electrochemical Microscope (SECM) test cell, a fourth generation in-situ cell, where researchers can see the electrochemical activity of the cell/battery in situ on the micron scale. Photo: Bio-Logic Science Instruments Ltd

Tre videnskabelige gennembrud styrker Danmarks batteriforskning

mandag 31 jul 17

Kontakt

Poul Norby
Professor
DTU Energi
46 77 47 26

DTU oplever stærkt stigende interesse for dansk batteriforskning fra internationale forskningsinstitutioner og selskaber. Det netop afsluttede projekt Hi-C har givet danske forskere uvurderlig ny viden og ført til udvikling af nye måle- og analysemetoder og nye materialer til batteriers katoder.

Litiumbatterier har større og større indflydelse på vores hverdag, fra batterier i smartphones og computere over elbiler og køkkenredskaber til storskala-lagring af overskudsenergi fra vindmøller og solceller. Det EU-støttede forskningsprojekt Hi-C med deltagelse af virksomheder og forskere fra fem EU-lande, bl.a. danske Haldor Topsøe A/S og DTU Energi, har netop gjort store fremskridt indenfor forskning i litiumbatterier.

”Projekt Hi-C har opnået utrolig gode resultater. Vi har forbedret analyse- og forskningsmetoder, fundet en række stensalte der potentielt fordobler kapaciteten i litiumbatteriers katodemateriale, og vi har udviklet en helt ny in-situ testcelle”, fortæller leder af Hi-C-projektet professor Poul Norby, DTU Energi.

Et af projektets tre store videnskabelige gennembrud var engelske partner Uniscan Instruments udvikling af en ny Scanning Electrochemical Microscope (SECM) test celle, en fjerdegenerations in-situ celle baseret på kapilar-celler, hvor forskere kan følge krystalstrukturen på atomar skala og se atomernes placering, mens cellen/batteriet virker. Uniscan Instruments formåede også at minimere en af standard testsonde fra ti til en mikrometer, hvilket gør den bedre egnet til forskning.

"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"
John Griffiths, daglig leder af Bio-Logic Science Instruments Ltd,

Nærstuderer grænsefladerne live indeni batteriet

I Hi-C så forskerne direkte ind i batteriet, mens det kørte, for at studere iontransporten i grænsefladerne live inde i selve batteriet, også kaldet in-situ. Der er mange grænseflader i et batteri, mellem elektroder og elektrolyt og internt i de enkelte krystaller, og selv om iontransport i selve materialet er vigtig, er det ofte transport af ioner og elektroner gennem grænsefladerne, som begrænser ydelsen af batteriet.

”Forskere og industrien har forskellige forventninger til testudstyrets opløsningsstørrelse. Industrien har nok i prober på 10-20-100 mikrometer, når de tester store batches af batterimaterialer, mens forskere har brug for måleudstyr, der kan se på nanolagene i en enkelt celle”, siger Poul Norby.

John Griffiths, daglig leder af Uniscan Instruments, nu omdøbt Bio-Logic Science Instruments Ltd, forklarer, hvordan arbejdet med de kyndige og erfarne batteriforskere i Hi-C-projektet hjalp dem med at få indsigt i de unikke udfordringer, der er til stede i det voksende marked for batteriforskning.

“Hi-C hjalp os med at videreudvikle nuværende og fremtidige produkter med batteriforskning i tankerne. I hele projektet blev det tydeligt, at spørgsmålet om at udføre målinger på stedet ville kræve flere tilgange afhængigt af forskernes individuelle behov. Så vi har udviklet både en forseglet celle til at arbejde in-situ og er ved at udvikle metoder, så vores nuværende produkter kan bruges i et handskerumsmiljø. Og vi oplever allerede efterspørgsel på udstyr til at udføre målinger in-situ fra både kunder og distributører, så vi mener, at med passende markedsføring kan salget fordobles", siger John Griffith

De nye kapillærbaserede testsonder er nu i produktion og til salg til laboratorier, der arbejder med korrosionsstudier, teknisk relevant forskning som batterier, brændselsceller og halvledere og til elektrokemiforskning generelt.

"Vi venter, at vores nyeste instrument, SECM150, udstyres næsten udelukkende med de kapillærbaserede sonder, hvilket giver brugerne mulighed for at benytte den øgede opløsning. 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, forklarer John Griffiths.

Batteriforskerne er nu i stand til at tage et fungerende batteri, putte sensorer på og se reaktionerne live i batteriet. Projekt Hi-C medførte også, at franske forskere i CEA udviklede en ultralydsmetode, hvor man nu ved hjælp af ultralydskarakterisering kan lytte sig til, hvor meget strøm der er tilbage i et batteri.

Læs artiklen: Lyt til dit batteri og undgå at det overoplader eller selvantænder

”Og projektpartnerne i Karlsruhe har udviklet et nyt materialebaseret på stensalte, der har potentiale til at fordoble kapaciteten i elektrodematerialet. Energien i batteriet afhænger stadig af spændingen i batteriet, men man kan tage dobbelt så mange elektroner ud af materialet som tidligere”, siger professor Poul Norby.

Læs artiklen: Stensaltlignende materialer kan potentielt fordoble kapaciteten på Li-batterier

De gode resultater af projekt "Novel in situ and in operando techniques for characterization of interfaces in electrochemical storage systems", forkortet Hi-C, er vigtige for lagring af energi, hvor stabilitet, opbevaring og især hurtig transport af ioner og elektroner er nødvendige. Dette er især vigtigt for energisektoren, hvor vindmøller danner store mængder overskydende elektricitet på blæsende dage. Energi, der skal opbevares til tider med mindre eller slet ingen vind. Den slags batterier skal kunne gemme meget strøm og frigive den igen hurtigt og effektivt, og det kræver forbedret indsigt og nye materialer.

Stigende efterspørgsel på dansk knowhow

Mens de engelske, tyske og franske samarbejdspartnere har udviklet nye målemetoder og nye materialer, har Haldor Topsøe i samarbejde med DTU udviklet nye in-situ og beregningsmetoder.

”Vi har udelukkende udviklet teknikker til in-situ målinger og har ikke et produkt. Danmark er stadig en lille spiller på batteri-området, men vi har udviklet og fået viden indenfor batterier, som vi oplever efterspørges mere og mere. Vi er efterhånden rigtig gode indenfor kombinationen af beregning og eksperimenter, så vi kommer med i større og større projekter, og vores indflydelse vokser. Vi oplever en støt stigende interesse for vores batteriforskning, både fra EU’s side rent overordnet, men også fra bl.a. tyske bilproducenter”, siger professor Poul Norby, DTU Energi

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 Energi 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 (KIT) og Varta Microbattery GMBH fra Tyskland, det svenske Uppsala Universitet og engelske Uniscan Instruments Ltd., der nu hedder Bio-Logic Science Instruments Ltd.

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.