Ett steg på vägen mot litiumfria batterier

2018-02-05

Uppsalaforskaren Laurent Duda och doktoranden Felix Massel har tillsammans med forskare från University of Oxford, University of Kent och Paul Scherrer Institutet kommit ett stort steg på vägen mot att hitta framtida litiumfria batterier för bland annat smarta telefoner och laptops.

När man använder eller laddar smarta telefoner och laptops låter man lätta alkalijoner åka “skytteltrafik” mellan anod och katod. I dagens uppladdningsbara batterier används litium, som är den lättaste och minsta av alla metalljoner, till detta. Men då jordens resurser av litiumsalter troligen inte kommer räcka för att kunna täcka världens framtida totala energilagringsbehov, behöver man studera och öka kapaciteten hos batterikatoder som är baserade på andra lätta joner. Sådana joner är till exempel magnesium och även natrium, en alkalijon det finns gott om i haven och i vanligt bordsalt.

Ett första genombrott

Dagens batterier som består av metalloxider är begränsade i sin kapacitet i och med att enbart katodens metalljoner är aktiva. Ett första genombrott kopplat till en ökad batterikapacitet skedde för knappt två år sedan. Då kunde forskarna som medverkar i den nya studien visa på att det syre som ingår i de litiumrika batterikatoderna, ger katoderna sin så kallade extrakapacitet. Litiumrika katoder förlorar dock en del av sin extrakapacitet i upprepade laddningscykler. Detta beror på att en andel av det litium som deltar i skytteltrafiken lagras i syrets närhet och när batteriet laddas upp dras dessa litiumjoner ut ur katoden, syret blir instabilt och katoden bryts successivt ner.

– Många forskare trodde att denna nedbrytning av katoden var oundviklig och förknippad med batteriets extrakapacitet, säger Laurent Duda, forskare vid institutionen för fysik och astronomi.

Stabilt litiumfritt material

Den nya studien, där man undersökt det litiumfria materialet, visar dock på motsatsen. Den visar på att litium eller andra alkalijoner inte behöver lagras nära syret i ett batteri med extrakapacitet. Detta material är helt litiumfritt och det är istället natriumjonerna som åker skytteltrafik. Samtidigt har magnesiumjonerna som finns nära syret en stabiliserande inverkan på materialet.

Forskarna från Oxford har syntetiserat det undersökta litiumfria materialet och tillsammans med karakteriseringsmetoder som Kentforskarna använde sig av kunde man bekräfta att materialet hade den önskvärda extrakapaciteten samt var extremt stabilt.

Ytterligare optimering behövs

För att fastställa att det verkligen var syret som var orsaken till batteriets extrakapacitet och för att utesluta andra förklaringar använde sig Uppsalaforskarna av en teknik som kallas för resonant inelastisk röntgenspridning eller RIXS. Uppsalaforskarna Laurent Duda och Felix Massel, vid institutionen för fysik och astronomi, har bidraget mycket till den starka utvecklingen av denna teknik under de senaste decennierna. RIXS-experimentet utfördes med världsledande utrustning på strålröret ADRESS vid den schweiziska synkrotronanläggningen Swiss Light Source.

– Att upptäcka att extrakapacitet även finns i litiumfria batterier är ett stort framsteg, men ytterligare optimering av litiumfria katodmaterial behövs innan de kan användas i kommersiella batterier. Nya RIXS-experiment kommer att bidra mycket till vårt arbete med detta inom den närmaste framtiden, säger Laurent Duda.
 

Artikel:

De nya rönen publicerades i tidskriften Nature Chemistry den 22 januari 2018:
Oxygen redox chemistry without excess alkali-metal ions in Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2, Urmimala Maitra, Robert A. House, James W. Somerville et al., Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.2923.  

Camilla Thulin