En visjon for sikrere batterier med SINTEF-utviklede elektrolytter

I SINTEF har vi en stor forskningsportefølje på framtidens batterier. Utfordringen er å gjøre batteriene så effektive som mulig ved å finne nye materialer og teknologier som øker energitettheten.

SINTEF har satt det grønne skiftet om mer produksjon av miljøvennlig batterier høyt på agendaen. Her vil jeg fortelle litt om det brede spekteret av forskning vi gjør på dette viktige området.

Norge er et foregangsland innenfor nullutslippstransport i Europa og verden. Markedsandelen av El-biler i 2019 var over 42 prosent. Målet er at all privat transport skal elektrifiseres.

Norge introduserte den første helelektriske fergen «Ampera» i 2015, og med våre rundt 130 fergeruter har vi et stort potensial for nullutslipp i maritim transport.

En kjerneteknologi for å realisere det grønne skiftet er batterier

Batteriene for transportsektoren må være sikre og samtidig ha så høy energitetthet som mulig. Med andre ord har interessen for høyenergibatterier aldri vært så stor som nå. Og det er mye forskningsaktivitet på området.

Her hos SINTEF forsker jeg på elektrolytter for framtidens batterier i prosjektet Enerlyte, sammen med et team bestående av forskerne Sidsel Meli Hanetho, Peter Molesworth og Anita Hamar Reksten med flere.

Hovedmålet i prosjektet er elektrolytter som tåler høyere spenning, for å så raskt som mulig lage batterier med høyere energitetthet og med materialer som er gunstigere enn de som finnes i dagens batterier. Her tar vi i betraktning både kostnadsmessige-, etiske- og miljømessige perspektiv.

På lengre sikt skal vi erstatte brennbare elektrolyttvæsker med polymer- eller kompositt-elektrolytter i fast form, fordi det gir bedre sikkerhet. Hovedmålet er å lage batteriene så sikre som mulig slik at de ikke tar fyr eller eksploderer selv om de blir varme, begynner å lekke, kortslutter eller overlades.

Ulike problemstillinger virker inn på hverandre

Batterier inneholder mange forskjellige komponenter som må fungere sammen, og det er derfor viktig med et tverrfaglig prosjektteam. Hos oss i SINTEF jobber eksperter i organisk kjemi sammen med elektrokjemikere og eksperter i materialteknologi for å nå målet.

Batteriforskning er altfor ofte komponentfokusert, og forskere ser ikke alltid systemet i sin helhet. For eksempel er elektrolytten viktig for batterikapasiteten, men feil elektrolytt kan føre til at elektrodematerialene i batteriet ikke fungerer eller blir ustabile.

Her er et eksempel på en slik problemstilling: I fjor syntetiserte vi en høyenergielektrode med lavt koboltinnhold som fungerte dårlig med dagens standardelektrolytt. Det ble da først konkludert med at materialet var dårlig. Etter at vi jobbet litt med elektrolytten fungerte materialet godt, med minimalt kapasitetstap selv 100 utladinger, høy temperatur og høy spenning. Dette bekrefter at det er viktig å forske på hele batteriet og ikke enkeltkomponentene. Disse resultatene fra HiCath-prosjektet (Norges forskningsråd # 280910) ble presentert internasjonalt på et MRS-møte i Boston i fjor høst og publisert i fagtidsskriftet MRS Advances.»

Hvorfor er elektrolytten så viktig?

Elektrolytten er batteriets «blodsystem» som transporter energibærende ioner. Dagens høyenergibatterier er litiumbaserte, med andre ord er litiumioner det aktive mediet. Å separere ionisk og elektrisk strøm er selve prinsippet som gjør elektrokjemisk energilagring mulig.

Det betyr at samtidig som ioner skal transporteres gjennom elektrolytten, er det også viktig at elektrolytten ikke leder elektrisk strøm. Skjer det, vil batteriet lade seg selv helt ut, uten at vi kan bruke energien.

Elektrolytten er derfor bindeleddet mellom to porøse elektroder, som tillater rask Li-ionetransport. Spenningsforskjellen i et Li-ionebatteri er som regel høyere enn 4 V, og elektrolytten må derfor tåle denne spenningen uten å brytes ned.

Li-ionbatterier bruker nesten utelukkende elektrolytter basert på et litium salt som er løst i en væskeblanding av organiske karbonater, og som tåler spenninger over 4 V.

Elektrolytten er nøkkelen til å skape miljøvennlige batterier

I Li-ionebatterier kommer all energien fra den positive elektroden (katoden) i form av tilgjengelige litiumioner. Oppgaven til den negative elektroden (anoden) er å ta opp litium ioner under opplading av batteriet og frigjøre dem igjen til katoden under utladning.

Det mest brukte anodematerialet er grafitt som kan ta opp Li i strukturen sin. Det forskes mye på alternativer til grafitt som kan ta opp mer litium per vekt og/eller volum. Høyenergianoder med silisium er et eksempel på dette.

Forslag: Kobolt – viktig, men både utskjelt og sjeldent

Batterier til elektrisk transport krever høy energitetthet, og i dagens batterier er derfor kobolt et viktig element i katoden.

Men kobolt er et kritisk råmateriale, samtidig som det er et kostbart materiale og kritiseres for uetisk utvinning, som typisk utføres i Kongo. Det er derfor et stort ønske om at fremtidens batterier ikke er avhengige av kobolt. Samtidig er det viktig at dette ikke går på bekostning av batterienes kapasitet.

Heldigvis finnes det muligheter som kan erstatte de koboltbaserte katodene samtidig som energitettheten til batteriene opprettholdes. Løsningen er basert på litium nikkel mangan spinell (LNMO, LiNi0.5Mn1.5O4). Dette katodematerialet leverer nesten 1 V høyere spenning, og kan gi omtrent samme energitetthet som dagens elbil-batterier.

Den høye spenningen på 4.7 V er riktignok også den største utfordringen for å kunne ta i bruk LNMO. Elektrolyttvæsken i dagens Li-ione batterier er ikke stabile ved så høye spenninger. Deror jobber vi i SINTEF å utvikle en væskeelektrolytt som tåler 5 V og som også gjør det mulig å ta i bruk alternativet LNMO. Dette vil kunne gi oss batterier med høy energitetthet som i tillegg er koboltfrie.

Over til høyrere spenning

Vi forsker også på alternative væskesammensetninger som er stabile og kompatible med høyspenningskatoder. Foreløpige resultater virker lovende, og forskerne skal nå utføre tester ved høyere temperaturer som vil fremskynde, og dermed raskere synliggjøre, degraderingen, samt gjøre tester av større batterier.

Blir femtiden fast?

I fremtiden ønsker vi brannsikre batterier, og elektrolytter bestående av faste stoffer kan bidra til å realisere dette. I SINTEF ønsker vi å bidra til å utvikle sikrere batterier ved å erstatte den brannfarlige elektrolyttvæken med alternativer basert på faste stoffer.

Jakten på sikre batterier med høy energitetthet driver utvikling av elektrolytter bestående av rene uorganiske, med andre ord keramiske, materialer med høy evne til å transportere Li-ioner. De er brannsikre og muliggjør implementering av høyenergi katoder som LMNO og kanskje anoder av rent Li-metall. Men heller ikke disse uorganiske keramene er uten ulemper. De er stive og sprø, som medfører utfordringer knyttet til å oppnå god kontakt mellom elektrolytten og elektrodene. Elektrodene i moderne Litium ionebatterier er gjerne 50 til 100 µm tykk og porøse. En stiv kermaisk elektrolytt er dermed ikke ideelt å oppnå god kontakt.

I ENERLYTE-prosjektet jobber Peter Molesworth og Anita Hamar Reksten sammen med meg og andre kolleger på tvers av fag –  mellom polymerkjemi og faststoffkjemi for å lage faststoffelektrolytter bestående enten av ren tørr plast (polymer) eller en kompositt av plast og keramiske partikler som potensielt kan erstatte den brannfarlige elektrolyttvæsken. På enda lengre sikt er elektrolytter bestående av rene keramiske materialer attraktive i forhold til brannsikkerhet.

En polymerelektrolytt er myk og kan derfor trenge inn i den porøse elektroden som gir mye bedre kontakt og mindre motstand. Det finnes polymer-elektrolytter som er veldig stabile mot høy spenning og det finnes noen som også er egnet mot litium metal. Utfordringen er å finne en som er stabil mot begge deler og samtidig leder litium ioner raskt nok.

Jeg ble interessert i polymerbaserte elektrolytter for noen få år siden. Dessverre er det veldig lenge siden jeg hadde polymerkjemi på universitetet i Tyskland, men vi har heldigvis dyktige eksperter på polymerkjemi her i SINTEF. Uttrykket «solid-state batteries» blir ofte misforstått. Jeg har alltid vært skeptisk til hvordan kontakt og dermed motstandsproblemer mellom en elektrolytt basert på et tett, keramisk faststoff og en porøs elektrode skal løses og hvordan det kan bli prosessert i industrien. Jeg vil ikke si at polymerelektrolytter er perfekte, det finnes mange problemer som må bli løst, men nettopp det problemet med kontakt, som jeg tenker har stor betydning, vil være enklere å løse med en myk og formbar polymer.

Rask litiumtransport, myk og samtidig stabil

Polymerelektrolytter er basert på et litiumsalt som er oppløst i en polymermatriks. Dessverre er ofte transporten av anionet, den andre bestanddelen av Li-saltet, mye raskere enn selve Li-ionetransporten i polymerene. Keramer er selektiv for å transportere litium ioner og har ofte en høyere ledeevne for litium enn polymerelektrolytter.

Vår strategi for å skape mer brannsikre batterier med høy energitetthet er derfor å kombinere styrkene til de keramiske elektrolyttene, god stabilitet og høyere ledningsevne, med styrken til de polymerbaserte elektrolyttene, god kontakt med elektrodene og formbarhet, til ett komposittmateriale som løser utfordringene disse to faststoffelektrolyttene har hver for seg. Vi jobber med å utvikle oksidbaserte litiumledene partikler, fibre og strukturer som skal kombineres med polymerelektrolytter for å oppnå slike komposittelektrolytter.