Et forskerteam ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utviklet en ny batteridesign som kan gi lettere og mer langvarig energilagring. Det anodefrie litium-metallbatteriet oppnådde en energitetthet på 467 Wh/kg, tilsvarende 212 Wh/lb, i en posecelle.

I en full myntcelle beholdt batteriet 90 prosent av kapasiteten etter 200 lade- og utladingssykluser. Resultatene bygger på en metode som endrer viktige grenseflater i batteriet for å forbedre hvordan litium avsettes, og for å stabilisere de indre lagene som påvirker batteriets ytelse.

Skal løse kjente problemer

Forskergruppen ble ledet av professor Shao Minhua og utviklet metoden for å håndtere problemer som over tid har begrenset levetiden og energitettheten til anodefrie litiumbatterier.

Litium-metall er interessant som batterimateriale fordi det har høy spesifikk kapasitet og lavt reduksjonspotensial. I anodefrie batterier brukes en bar kobberstrømkollektor i stedet for en separat anode som lager for litium. Det reduserer mengden inaktivt materiale og kan gjøre produksjonen enklere.

Vanlige kobberoverflater tiltrekker imidlertid ikke litium særlig godt. Under lading kan litium derfor avsettes ujevnt. Det kan fremme vekst av dendritter – nålelignende strukturer som kan skade batterikomponenter og skape sikkerhetsrisiko.

Et annet problem er det såkalte solid electrolyte interphase-laget, ofte forkortet SEI. Dette laget dannes naturlig på elektrodeoverflaten. Dersom SEI-laget blir ustabilt, kan det hindre bevegelsen av litiumioner og forkorte batteriets levetid.

Sølv endrer overflaten

For å håndtere problemene tilsatte forskerne et AMI-tilsetningsstoff med sølvioner og anioner. Tilsetningen setter i gang flere prosesser etter at batteriet er satt sammen. Prosessene endrer kobberoverflaten og påvirker hvordan litium avsettes.

Den sølvmodifiserte overflaten gjør det lettere for litium å feste seg, et fenomen forskerne omtaler som økt litiiofilitet. Dermed kan litium avsettes jevnere. Sølvet bidrar også til å binde anionavledede stoffer som hjelper til med å bygge et mer stabilt SEI-lag.

Grenseflaten som oppstår, har et organisk, indre lag og et uorganisk, ytre lag. Oppbygningen er utformet for å støtte transporten av litiumioner, samtidig som forholdene som fremmer dendrittvekst begrenses.

Anionene som frigjøres, setter dessuten i gang en reaksjon i elektrolytten. Den danner en kvasifast gel inne i SEI-lagene, mellom det organiske innerlaget og det uorganiske ytterlaget. Dette holder elektroden og elektrolytten i tett kontakt og stabiliserer grenseflaten gjennom mange lade- og utladingssykluser.

Én samlet prosess

Endringene gjør at litium kan avsettes og fjernes mer reversibelt. Dermed slites batteriet mindre over tid. Forskerne mener også at metoden kan gjøre batteriene sikrere ved å hindre dannelsen av dendritter.

Shao, som er artikkelens korresponderende forfatter og leder for HKUSTs institutt for kjemisk og biologisk prosessteknikk, sier at metoden samler flere funksjoner i én prosess.

«The key is not simply adding a silver salt or a polymerization initiator. Our AMI releases multiple functions through a controlled process after cell assembly, allowing us to modify the current collector, build an anion-derived solvation structure, and form a robust organic-inner/inorganic-outer SEI in one integrated process,» he added.
«This makes lithium plating and stripping highly reversible in an anode-free, quasi-solid-state configuration, laying a stronger foundation for the development of next-generation batteries.»

Studien er publisert i tidsskriftet Nature Communications.