Norge er et foregangsland innenfor nullutslippstransport i Europa og verden. Markedsandelen av elbiler i 2019 var over 42 prosent. Målet er at all privat transport skal elektrifiseres.
Norge introduserte den første helelektriske fergen «Ampera» i 2015, og med våre rundt 130 fergeruter har vi et stort potensial for nullutslipp i maritim transport.
En kjerneteknologi for å realisere dette grønne skiftet er batterier: Batteriene for transportsektoren må være sikre og samtidig ha så høy energitetthet som mulig. Med andre ord har interessen for høyenergibatterier aldri vært så stor som nå. Og det er mye forskningsaktivitet på området.
Her hos SINTEF forsker jeg på elektrolytter for framtidens batterier i prosjektet Enerlyte, sammen med et team bestående av forskerne Sidsel Meli Hanetho, Peter Molesworth og Anita Hamar Reksten med flere.
Hovedmålet i prosjektet er elektrolytter som tåler høyere spenning, for å så raskt som mulig lage batterier med høyere energitetthet og med materialer som er gunstigere enn de som finnes i dagens batterier. Her tar vi i betraktning både kostnadsmessige-, etiske- og miljømessige perspektiv.
På lengre sikt skal vi erstatte brennbare elektrolyttvæsker med polymer- eller kompositt-elektrolytter i fast form, fordi det gir bedre sikkerhet. Hovedmålet er å lage batteriene så sikre som mulig slik at de ikke tar fyr eller eksploderer selv om de blir varme, begynner å lekke, kortslutter eller overlades.
Ulike problemstillinger virker inn på hverandre
Batterier inneholder mange forskjellige komponenter som må fungere sammen, og det er derfor viktig med et tverrfaglig prosjektteam. Hos oss i SINTEF jobber eksperter i organisk kjemi sammen med elektrokjemikere og eksperter i materialteknologi for å nå målet.
Batteriforskning er altfor ofte komponentfokusert, og forskere ser ikke alltid systemet i sin helhet. For eksempel er elektrolytten viktig for batterikapasiteten, men feil elektrolytt kan føre til at elektrodematerialene i batteriet ikke fungerer eller blir ustabile.
Her er et eksempel på en slik problemstilling: I fjor syntetiserte vi en høyenergielektrode med lavt koboltinnhold som fungerte dårlig med dagens standardelektrolytt. Det ble da først konkludert med at materialet var dårlig. Etter at vi jobbet litt med elektrolytten fungerte materialet godt, med minimalt kapasitetstap selv 100 utladinger, høy temperatur og høy spenning. Dette bekrefter at det er viktig å forske på hele batteriet og ikke enkeltkomponentene. Disse resultatene fra HiCath-prosjektet (Norges forskningsråd # 280910) ble presentert internasjonalt på et MRS-møte i Boston i fjor høst og publisert i fagtidsskriftet MRS Advances.
Hvorfor er elektrolytten så viktig?
Elektrolytten er batteriets «blodsystem» som transporter energibærende ioner. Dagens høyenergibatterier er litiumbaserte, med andre ord er litiumioner det aktive mediet. Å separere ionisk og elektrisk strøm er selve prinsippet som gjør elektrokjemisk energilagring mulig.
Det betyr at samtidig som ioner skal transporteres gjennom elektrolytten, er det også viktig at elektrolytten ikke leder elektrisk strøm. Skjer det, vil batteriet lade seg selv helt ut, uten at vi kan bruke energien.
Elektrolytten er derfor bindeleddet mellom to porøse elektroder, som tillater rask Li-ionetransport. Spenningsforskjellen i et Li-ionebatteri er som regel høyere enn 4 V, og elektrolytten må derfor tåle denne spenningen uten å brytes ned.
Li-ionbatterier bruker nesten utelukkende elektrolytter basert på et litium salt som er løst i en væskeblanding av organiske karbonater, og som tåler spenninger over 4 V.
Elektrolytten er nøkkelen til å skape miljøvennlige batterier
I Li-ionebatterier kommer all energien fra den positive elektroden (katoden) i form av tilgjengelige litiumioner. I dagens batterier er kobolt et viktig element i katoden, men veldig kritisiert i forhold til kostnad, lav tilgang, og uetisk utvinning. Av nye katodematerialer er litium nikkel mangan spinell (LNMO) et attraktivt alternativ, men er gir en høyere spenning (4.7 V), som skaper nye utfordinger for elektrolytten. I SINTEF forsker vi på å utvikle en væskeelektrolytt som tåler 5 V, som kan realisere bruk av LNMO. Dette vil gi oss batterier med høy energitetthet som i tillegg er koboltfrie.
SINTEF forsker også på alternative væskesammensetninger som er stabile og kompatible med høyspenningskatoder. Foreløpige resultater virker lovende, og forskerne skal nå utføre tester ved høyere temperaturer som vil fremskynde, og dermed raskere synliggjøre, degraderingen, samt gjøre tester av større batterier.
Oppgaven til den negative elektroden (anoden) er å ta opp litium ioner under opplading av batteriet og frigjøre dem igjen til katoden under utladning.
Det mest brukte anodematerialet er grafitt som kan ta opp Li i strukturen sin. Det forskes mye på alternativer til grafitt, som kan ta opp mer litium per vekt og/eller volum. Høyenergianoder med silisium er et eksempel på dette.
Et Li-ionebatteri under opplading. Li ioner beveger seg fra katoden gjennom elektrolytten til anoden, hvor de går inn i grafittstrukturen. Samtidig blir elektronene transportert gjennom en ekstern strømkrets. Illustrasjon: Nils Petter Wagner, SINTEF.
Blir fremtiden fast?
I fremtiden ønsker vi brannsikre batterier, og elektrolytter bestående av faste stoffer kan bidra til å realisere dette. I SINTEF ønsker vi å bidra til å utvikle sikrere batterier ved å erstatte brannfarlige elektrolytt-væker med alternativer i fast form.
I Enerlyte-prosjektet jobber Peter Molesworth og Anita Hamar Reksten sammen med meg og andre kolleger på tvers av fag – mellom polymerkjemi og faststoffkjemi. Det vi utvikler er faststoffelektrolytter bestående enten av ren plast (polymer) eller en kompositt av plast og keramiske partikler, som potensielt kan erstatte den brannfarlige elektrolyttvæsken. På enda lengre sikt er elektrolytter bestående av rene keramiske materialer attraktive i forhold til brannsikkerhet.
En polymerelektrolytt er myk og kan derfor trenge inn i den porøse elektroden som gir mye bedre kontakt og mindre motstand. Utfordringen med disse er å finne plastmaterialer som er stabile nok og samtidig leder litium ioner rask nok.
I år har vi laget vårt første LFP/ litium metal faststoff batteri med tørr plast elektrolytt som var et stort fremskritt for oss. Her er undertegnede, Nils Peter Wagner og kollega Peter Moleworth i laben. Foto: Edvin Wiggen Dahl, SINTEF.
Slik ser grenseflaten mellom en plastelektrolytt og en elektrode ut i mikroskop. Denne plastelektrolytten er skapt i laben av forsker Marius Sandru og tekniker Lars Erik Parnas. Foto: Julian R. Tolchard, SINTEF.
Rask litiumtransport, myk og samtidig stabil
Polymerelektrolytter er basert på et litiumsalt som er oppløst i en polymermatriks. Dessverre er anvendelsen begrenset av lav Li-ionetransport, en essensiel egenskap for et godt fungerende batteri. Det fins keramiske materialer med bedre transportegenskaper, men disse er derimot stive og sprø, som medfører andre utfordringer, som god kontakt mellom elektrolytt og elektroder.
Vi tror et komposittmateriale av keramer og polymerer kan være en god strategi for å oppnå faststoffelektrolytter for mer brannsikre batterier med høyere energitetthet, sier forsker Anita Hamar Reksten. Foto: Belma Talic, SINTEF
Vår strategi for å skape mer brannsikre batterier med høy energitetthet er derfor å kombinere styrkene til de keramiske elektrolyttene, god stabilitet og høyere ledningsevne, med styrken til de polymerbaserte elektrolyttene, god kontakt med elektrodene og formbarhet. Målet er ett komposittmateriale som løser utfordringene disse to faststoffelektrolyttene har hver for seg.
