Litiumjonbatterier - Anoder

Litium i metallisk form har den högsta energitätheten som ett anodmaterial kan ha i ett litiumbatteri. Men tyvärr är den alltför ostabil och blir därför en säkerhetsrisk. En utmaning är att finna ett säkrare material som enkelt kan lagra och snabbt transportera litiumjoner i batteriet. Kolmaterial som grafit är billiga och miljömässigt säkra men med en betydligt lägre energitäthet.

Det finns flera metaller (M) som kan legera med litium, t. ex. Al, Sb, Sn och Si. De binära LixM system som bildas ger en hög energitäthet, men en alltför stor volymsexpansion vid litiering (150% för Sb) som resulterar i pulverisering av materialet och dramatiskt begränsar cyklingslivet hos batteriet.

Mycket hög energilagringsförmåga kan man få med Si-anoder (Si=kisel). Genom att påverka ytkemin hos kiselpartiklarna och späda ut atomerna i en kolmatris kan vara några vägar att lösa problemet med volymsexpansionen.

För att förstå hur väl anodmaterialen fungerar måste mekanismerna för interkalation eller legering beskrivas i detalj. Även de reaktioner som uppstår i gränsytan mellan elektrolyt och elektrod behöver förstås (t ex elektrolytdegradering, ytpassivering, partikel nedbrytning). Se den schematiska bilden av de reaktioner som sker på grafitanoden under laddning. Via kunskapen om dessa parametrar, sammansättningen och formen på partiklarna i anoden kan elektroden optimeras för att ge maximal elektrodkapacitet med hög säkerhet och god livslängd.

Forskningsaktiviteter

• Olika kolmaterial för anoder, deras litium-interkalationskapaciteter i olika elektrolyter och hur man optimerar partiklar för att göra bra elektroder studeras.
• Metaller, legeringar och sk intermetaller tillverkas, studeras och optimeras.
• Kiselanoder - syntes, karakterisering, ytmodifiering och förståelse av de kemiska processer som kan ge en hög koulombisk effektivitet studeras.
• Ytkemin (SEI) på olika anoder analyseras baserad på tester av nya elektrolytkombinationer, nya cyclingstestscheman och olika temperatur.

Tekniker

• XRD, XPS
• In situ XRD och Neutrondiffraktion
• Raman
• EQCM
• SEM
• TEM
• Elektrokemiska metoder