Ideen bag de nye batterimaterialer: Litium-ioner (grønne) kan indarbejdes i materialernes krystalgitter og let bevæge sig ind og ud af strukturen. Illustration: LiRichFCC

Nyt batterikoncept giver løfte om mere kompakt energilagring

onsdag 08 jun 16
|
af

Kontakt

Tejs Vegge
Professor, Sektionsleder
DTU Energi
45 25 82 01

Kontakt

Juan Maria García Lastra
Lektor
DTU Energi
45 25 82 13

Om projektet

Projektet LiRichFCC er et samarbejde mellem nogle af de førende batteriforskere i Europa. Partnerne omfatter Karlsruher Institut für Technologie i Tyskland (som koordinerer projektet), DTU Energi, Commisariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives fra Frankrig, Kemijski Institut fra Slovenien og Uppsala Universitet i Sverige. Det treårige projekt er finansieret af FET Open-programmet under EU’s forsknings- og innovationsprogram Horizon 2020.

Om materialerne

De nye materialer der skal studeres i projektet, er baseret på en særlig type af litium-rige oxyfluorider som har krystalstrukturen fladecentreret kubisk (FCC). Det er den struktur man får, hvis man prøver at stable appelsiner (eller andre kugleformede genstande) så tæt som muligt. Materialerne har den kemiske sammensætning Li2MO2F (hvor M er et overgangsmetal som vanadium eller krom).

Et nyt europæisk Horizon 2020-forskningsprojekt med deltagelse af DTU Energi vil udforske en helt ny klasse af materialer til litium-ion-batterier – materialer som kan forøge energitætheden af batterierne væsentligt og betyde et gennembrud for elektriske køretøjer.

Litium-ion-batterier anvendes alle vegne – i mobiltelefoner, i bærbare computere, i elbiler. Det er en almindelig oplevelse at der aldrig er helt nok kapacitet i ens batteri: Man bliver normalt nødt til at genoplade sin telefon mindst en gang om dagen, og elbiler har begrænset rækkevidde. Det er derfor en væsentlig udfordring for batteriforskningen at øge den mængde energi der kan lagres per vægt eller volumen af batteriet (den såkaldte energitæthed), således at man kan lagre mere energi uden at øge batteriets størrelse.

Litium-ion-batterier lagrer energi gennem en proces der involverer to elektrokemiske reaktioner: I den første driver en påtrykt elektrisk strøm litium-ioner ud af et litium-holdigt materiale (sædvanligvis kaldet katoden). Litium-ionerne bevæger sig så gennem elektrolytten og, i en efterfølgende elektrokemisk reaktion, ind i anoden, som normalt består af grafit. Ved afladning forløber den omvendte proces, ledsaget af en elektrisk strøm i det ydre kredsløb der er tilsluttet batteriet. For nuværende er katoden den vigtigste begrænsende faktor hvis man skal øge energitætheden.

Nu har det nye europæiske Horizon 2020-forskningsprojekt LiRichFCC sat sig for at ændre den måde som litium lagres i katoden på. I traditionelle katoder (baseret på metaloxider) går litium-ionerne ind på tomme pladser mellem atomerne i værtsmaterialets krystalgitter ved en proces der kaldes interkalation. På samme tid skal værtsmaterialet kunne modtage de ledsagende elektroner uden at ændre struktur. Det giver en væsentlig begrænsning på mængden af litium som kan optages af katoden. De nye materialer som skal studeres i projektet, har en fuldstændig anderledes mekanisme for lagringen af litium. Materialer der har en såkaldt fladecentreret kubisk krystalstruktur (face-centered cubic – FCC), kan inkorporere litium-ionerne direkte i krystalgitteret. Det giver ikke bare en meget højere energitæthed (da der kan lagres mere litium i katoden), men fører også til en hurtigere transport af litium ind og ud af strukturen. Sådanne batterier vil derfor kunne levere meget store mængder energi på kort tid. Og omvendt kan de også oplades hurtigere.

De såkaldte litium-rige FCC materialer blev først opdaget for nylig og er endnu ikke blevet undersøgt systematisk. Det vil ske i LiRichFCC der vil fokusere på de fundamentale mekanismer som er nødvendige for at forstå og forbedre de nye materialer. Projektet sigter på at demonstrere en fordobling af energitætheden sammenlignet med litium-ion-batterier baseret på traditionelle katoder. Det vil betyde en væsentlig forskel for anvendelser som elbiler og bærbar elektronik. DTU Energi vil bidrage med computerbaserede forudsigelser af nye materialesammensætninger, identifikation af transportmekanismerne i materialerne og deres grænseflader, og vil også deltage i den eksperimentelle karakterisering af de materialer der udvikles i projektet.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.