Organiska elektrodmaterial med hög kapacitet för gröna batterier

Projekttitel: Organiska elektrodmaterial med hög kapacitet för gröna batterier
Huvudsökande: Moyses Araujo, avdelningen för materialteori
Finansiär: Energiriktad grundforskning från Energimyndigheten och Vetenskapsrådet

Projektbeskrivning

Den globala energikonsumtionen beräknas tredubblas mellan år 2001 och år 2100, då den uppnår hela 43 TW [1]. Även om senare analyser tyder på att fossila tillgångar som olja, kol och naturgas i princip kan fortsätta leverera denna enorma energimängd ytterligare ett tag, skulle detta innebära stora emissioner av CO2. Faktum är att vi istället måste inkludera en mycket stor mängd koldioxidfri energi i vår energimix för att möta kraven från FN:s klimatpanel IPCC [2] och garantera en hållbar tillväxt i kombination med mindre miljöpåverkan.

Transportindustrin är idag en av de största energislukarna på global och svensk skala, och många länder lägger därför fokus på att utveckla el- och hybridfordon som en del i att reducera utsläppen av CO2. Sådana fordon kräver elektrokemiska energilagringsenheter – ofta batterier – med hög energidensitet, gärna högre än dagens motsvarigheter. Ett annat hinder att överkomma i detta sammanhang är den stora mängden material som behövs när dessa teknologier skalas upp, vilket kan medföra betydande miljöpåverkan. Som en konsekvens av detta har mycket uppmärksamhet riktats mot nya batterikemier som skulle kunna innebära nya genombrott.

De oorganiska Li-jonbatterierna har sedan dess att de kommersialiserades 1990 inneburit ett enormt framåtskridande för bärbar elektronik. Nu uppstår dock nya kemier och nya material för batterier, vilka har potential att tillfredsställa vår hunger för energilagring och vilka kan bidra till ett förnybart energisystem. Speciellt har organiska elektrodmaterial (OEM) rönt uppmärksamhet som ett ur miljöperspektiv lovande alternativ [3]. OEM kan produceras från vanligt förekommande råmaterial från förnybara energikällor som biomassa. De är också mångsidiga i sina egenskaper och kan därför anpassas efter behoven. Slutligen är de också enklare att återvinna genom förbränningsprocesser. Dock finns två huvudsakliga nackdelar med OEM som förhindrar deras användning i dagens energisystem: (i) den dåliga cyklingsstabiliteten och (ii) den låga energidensiteten. Mycket forskning riktas idag mot att lösa dessa problem.

Vi kommer i detta projekt att använda moderna beräkningsmässiga materialvetenskapliga metoder i kombination med avancerade experimentella tekniker för design av stabila organiska elektrodmaterial med hög kapacitet för energilagring. I praktiken kommer vi lösa kvantmekaniska problem på en nivå för atomer och elektroner för att besvara grundläggande frågor relaterade till interaktioner mellan litiumjoner och organiska ämnen och föreningar. Baserat på denna kunskap kommer vi att utveckla ett system för storskalig sållning, vilket vi kommer att använda för upptäckter av nya material, och vilka vi sedan kommer att syntetisera och testa i riktiga batterier.

[1] N. S. Lewis and D. G. Nocera, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 15729 (2006).

[2] United Nations Development Program (2003) World Energy Assessment Report: Energy and the Challenge of Sustainability (United Nations, NewYork).

[3] D. Larcher and J. M. Tarascon, Nat. Chem. 7, 19–29 (2014).