MAX IV

Infrastruktur: MAX IV
Projekttitel: Energimaterialstudier vid MAX IV – Utveckling av Solceller och Batterier
Huvudsökande: Håkan Rensmo, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik

De ökande globala effekterna av vår nuvarande fossilbränslebaserade energiproduktion har lett till ett intensivt utvecklingsarbete för att finna nya och hållbara sätt att omvandla, lagra och transportera energi. Nya typer av solceller och batterier kommer här kunna bidra till lösningar för ett hållbart energisystem. I detta projekt vill vi i direkt samarbete med industriella partners använda och utveckla de metoder som världens ljusstarkaste synkrotronljusanläggning MAX IV erbjuder för att lösa nyckelfrågor för de tillämpade energisystemen. Då projektet kopplar samman teknisk produktutveckling med forskare som ligger i absolut framkant av energimaterialforskning och metodutveckling för synkrotronljus erbjuds en unik plattform för utveckling och utbildning av en ny generation forskare i områden som är centrala för Sverige.

I processer där man omvandlar solenergi till elektricitet och därefter bränsle överförs ljusets energi till elektroner (elektricitet) vilka i sin tur kan förändra bindningar mellan atomer i olika material och bilda energirika produkter, t.ex. Li. I de globala ansträngningarna för att optimera dessa processer är förståelse på atomär nivå av stor betydelse. Sverige har, genom de röntgenbaserade metoder som erbjuds inom MAX IVs infrastruktur, en unik möjlighet att driva energiforskning och utveckling till nästa nivå. Genom implementering av röntgenbaserade metoder på relevanta energisystem kommer frågeställningar kring mekanismerna för energiomvandlingen att klargöras. Därigenom skapas en nödvändig fundamental och teknisk kunskapsbas som kan användas för vidare banbrytande utveckling mot nya högeffektiva och stabila system. Metodutveckling som erbjuder undersökningar på nya typer av solceller och batterier under arbete, så kallad ”operando”, är en central del av projektet. I ett bredare perspektiv bidrar därför projektet även till forskning inom andra områden där gränsskikt och operando undersökningar är av stor betydelse.

Forskningen i detta projekt rör batterier och solceller, där material och frågeställningar kommer från industriella och tillämpade partners, och där MAX IV kommer användas för att brygga fundamental och tillämpad forskning.

Batterier som utnyttjar att material oxideras och reduceras med hjälp av litiumjoner möjliggör mycket hög energitäthet i termer av vikt och volym. Litiums mycket reaktiva natur är dock en utmaning och kräver stabilisering av de material som används i batteriet. För att skapa högvoltsapplikationer utvecklas bl.a. olika elektrolyter samt nya oxid och fosfatmaterial. Centralt för utvecklingen är förståelsen för den samverkan som sker mellan elektrod och elektrolyter under drift. Frågeställningar som: hur elektrolyterna kan stabilisera processerna; hur energin lagras i materialen, kommer vara en viktig del av forskningen i projektet. Alternativa batterikemier är numera föremål för en intensiv forskning, för att eventuellt ge nya system för storskalig (stationär) elektrisk lagring. En tilltalande möjlighet består i att ersätta litium med natrium eller magnesium för att utveckla en analog motsvarighet.

Projektet rör också en ny generation solceller som består av blandningar av oorganiska och organiska material blandade i tunnfilms- eller nanostrukturer. Enkelheten i den syntetiska proceduren, möjligheten att finjustera ljus-absorptionen, känsligheten för diffust ljus, och den flexibla designen har gjort denna forskning till en viktig del av solcellsutvecklingen. Grundförståelsen av ljusabsorption och laddningsseparation hos dessa solceller är viktig för att optimera solcellens effektivitet. För tillämpningarna är det också centralt att förstå och kontrollera vilka sidoreaktioner som sker med tiden och under ljusexponering. Här kommer metoderna vid MAX IV kunna bestämma hur materialen blandar sig med varandra, hur joner förflyttar sig och material oxideras och reduceras på ett sätt som förhindrar vidare energiomvandling.

Utbildning och träning av nya användare, akademiska såsom industriella, av de röntgenbaserade metoderna vid MAX IV är centralt för projektet. Kopplingen till industri och tillämpade akademiska forskningsplattformar är viktig, och ett antal workshops samt utveckling av nya kurser är planerade. Vidare, genom att tillsammans förbereda, genomföra och analysera experimenten som utförs vid MAX IV vid så kallade stråltider, kommer projektet också bidra till att utbilda en ny generation forskare som har möjlighet att ta del av forskningsinfrastrukturen MAX IV.