Forskere i Sør-Korea har utviklet et batteridesign som kan hjelpe elbiler med å kjøre lenger, samtidig som batteripakkene blir mindre og lettere. – Teknologien løser et stort problem som har hindret kraftige «anodefrie» batterier fra å vare lenge nok til daglig bruk.
Studien ble ledet av professorene Jinwoo Lee og Hee-Tae Jung ved KAIST, i samarbeid med forskere fra Kyungpook National University og National NanoFab Center.
Funnene ble publisert i tidsskriftet Advanced Functional Materials.
De fleste litium-ion-batterier inneholder en anode laget av grafitt. Under lading beveger litium seg inn i grafitten, hvor det lagres til batteriet tas i bruk.
Anodefrie batterier fjerner dette grafittlaget. I stedet avsettes litium direkte på en tynn kobberfolie under lading. Å fjerne grafitt sparer plass og vekt, slik at et batteri av samme størrelse kan lagre mer energi.
Dette kan være spesielt nyttig for elbiler. Et lettere batteri kan forbedre rekkevidden, mens et mindre batteri kan gi bildesignere større fleksibilitet.
Anodefrie batterier har imidlertid en alvorlig svakhet. Litium fordeler seg ikke alltid jevnt over kobberflaten. Det kan vokse til skarpe, grenlignende strukturer kalt dendritter under gjentatt lading og utlading.
Disse strukturene reduserer batteriytelsen og kan skade beskyttelseslaget rundt litiumet. Resultatet er at batteriet mister kapasitet og slites ut for raskt.
Tidligere forsøk på å løse problemet innebar ofte å tilsette ekstra litium eller legge på et tykt beskyttelsesbelegg over overflaten. Selv om disse metodene kan forlenge batteriets levetid, gjør de det også tyngre og større. Det fjerner mye av fordelen med et anodefritt design.
KAIST-ledet teamet valgte en annen tilnærming. Ved hjelp av en produksjonsmetode som også brukes i halvlederindustrien, skapte forskerne rader med mikroskopiske rørformede strukturer på kobberfolien.
Rørene var omtrent 300 nanometer brede og 150 nanometer høye. Disse bittesmå strukturene økte det tilgjengelige overflatearealet til omtrent fire ganger det til vanlig flat kobber.
Designet fungerer som å legge til nøye markerte parkeringsplasser i en tom parkeringsplass. Det gir litium mange jevnt fordelte steder å sette seg, noe som reduserer sjansen for at det samler seg på ett sted og vokser til farlige spisser.
Forskerne la også til et ekstremt tynt belegg av MXene, et todimensjonalt materiale. Belegget var bare rundt 10 nanometer tykt – eller tusenvis av ganger tynnere enn et menneskehår.
MXene fungerer ikke som det endelige beskyttelseslaget. I stedet virker det mer som en primer, og oppmuntrer batteriet til å danne sitt eget sterke og jevne beskyttelseslag rikt på litiumfluorid.
Dette beskyttelseslaget reduserer uønskede kjemiske reaksjoner og begrenser ytterligere skarp litiumvekst. Detaljert avbildning og kjemiske tester bekreftet at det dannet seg jevnt langs den behandlede overflaten.
Professor Lee sier studien viser at svært presise halvlederproduksjonsmetoder kan kontrollere hvor litium avsettes, uten å tilsette overskuddslitium eller endre den viktigste batterivæsken.
Resultatene er lovende, men teknologien vil fortsatt trenge testing i større skala under reelle kjøreforhold. Hvis den fortsetter å prestere godt, kan den bringe lettere, mer langvarige anodefrie batterier nærmere kommersielle elbiler.
Popidol: Nolans The Odyssey knuser Universals rekord for mest innbringende film
