Batterier er avhengige av metaller som litium, kobolt og nikkel for å oppnå høy energitetthet.
Utvinningen av disse råstoffene gir store miljøbelastninger.
Derfor jobber forskere med å utvikle batterier som varer lenger.
På mikroskopisk nivå inne i batteriet foregår prosesser som avgjør effektiviteten.
Mye er fortsatt uklart
Ioner, som er ladde partikler, beveger seg gjennom batteriet, mens elektroner utgjør strømmen.
Dette samspillet styrer både ytelse og nedbrytning.
– Et overraskende funn fra den siste studien var hvor stor betydning ladningsoverføringen har, sier professor Jelena Popovic-Neuber.(Foto: Privat)
For forskerne er fortsatt mye uklart.
– Vi har undersøkt hva som skjer i grensesnittet mellom metallelektroden og den flytende elektrolytten. Dette er en kjent utfordring i batteriforskningen. Det er her ytelsen begynner å falle, sier forsker Jelena Popovic-Neuber.
Elektrolytter er stoffer som løses i væske og danner ladde partikler (ioner) som kan lede elektrisk strøm.
Og en metallelektrode er en fast metallbit som leder elektrisk strøm.
Et viktig tynt lag i batteriet
Popovic-Neuber er professor i materialvitenskap og elektrokjemi ved Universitetet i Stavanger (UiS).
Sammen med kollegaer i forskergruppen for batteriteknologi har hun nylig publisert flere vitenskapelige artikler om elektrolytter.
– Vi studerer hvordan materialer reagerer når strøm går gjennom dem. Alkalimetaller er lovende som elektroder, men de er svært reaktive. Når de møter elektrolytten, dannes det et tynt lag på overflaten. Dette laget er avgjørende for hvordan batteriet fungerer, både når det gjelder ytelse og levetid, sier Popovic-Neuber.
Hun forklarer at det tynne laget kalles den faste elektrolytt-mellomfasen. På engelsk fagspråk heter det «solid electrolyte interphase» (SEI).
Forskningen på dette området kan bli avgjørende for fremtidens batteriteknologi. Målet er å kombinere høy ytelse med lengre levetid og lavere miljøpåvirkning.
Ulike batterier i bokser på laboratoriet.(Foto: Kjersti Riiber)
En beskytter, men også
et problem
Annonse
Forskeren forklarer hva den faste elektrolytt-mellomfasen, SEI, betyr for batteriet.
– Du kan tenke på SEI som både en beskytter og et
problem. På den ene siden forhindrer den uønskede reaksjoner mellom elektroden
og elektrolytten. På den andre siden tilfører dette tynne laget motstand, sier hun.
Elektrolyttlaget kan også vokse over tid, noe som reduserer
batterieffektiviteten.
Å forstå hvordan dette laget dannes og hvordan det
utvikler seg, er nøkkelen til å utvikle batterier med lengre levetid, utdyper Popovic-Neuber.
– Det er som å lytte til et stort orkester
I de siste laboratorieforsøkene har forskerne brukt en
teknikk som kalles elektrokjemisk impedansspektroskopi.
Det som skjer er at et
lite signal sendes til batteriet. Forskerne kan så observere hvordan det reagerer over et
frekvensområde.
Slik kan de skille mellom ulike prosesser inne i batteriet.
– Det
er som å lytte til et stort orkester og kunne plukke ut hvert enkelt
instrument, sier hun.
Forskerne bruker avansert utstyr for å undersøke ulike prosesser inne i batteriet.(Foto: Kjersti Riiber)
Forskerne sammenligner ulike
metaller
Forskerne
har sammenlignet litium, natrium og kalium. De har også studert metaller
som magnesium og aluminium.
De to siste er attraktive alternativer til litium
fordi det er høyere forekomst av dem. De er bærekraftige og billigere
alternativer.
Annonse
Ved å sammenligne de ulike metallene, kan forskerne forstå
hvordan grunnleggende egenskaper endres på tvers av metallgruppene.
– Et overraskende funn fra den siste studien var
hvor stor betydning ladningsoverføringen har, en prosess der ioner og
elektroner møtes. Dette blir ofte forenklet eller oversett i modeller, men våre
forsøk viste at ladningsoverføringen kan bidra betydelig til den totale
motstanden i batteriet, sier Popovic-Neuber.
– Et annet interessant resultat var hvordan ioners
evne til å bevege seg gjennom elektrolytten, det vi kaller overføringstallet, endres når cellene eldes eller blir utsatt for ulike temperaturer, sier hun.
Forskere ønsker å forstå mer av de grunnleggende prosessene i et batteri.(Foto: Colourbox)
Hverdagsteknologi kan bli bedre
Målet til forskerne er å få bedre forståelse av de
grunnleggende prosessene i et batteri. Da har man grunnlaget for å designe bedre batterimaterialer og også
bedre elektrolytter.
– Forskningen vår kan bidra til utvikling av
batterier som lagrer mer energi, varer lenger og lader raskere. På lang sikt
støtter det utviklingen av mer bærekraftige energilagringsløsninger, som en del
av det grønne skiftet, sier Jelena Popovic-Neuber.
Hun legger til at det fortsatt er mye å utforske innen
fagfeltet.
– Vi beveger oss mot mer komplekse og kraftige
energilagringssystemer, og forståelsen av grensesnitt vil bli avgjørende, sier hun.
