Grafensvamp banar väg för morgondagens batterier

Det finns höga förväntningar på framtidens batterier, men det krävs ny teknik för att kunna möta behoven. En möjlighet är att utveckla litiumsvavelbatterier som teoretiskt sett är fem gånger så energitäta som dagens litumjonbatterier. Chalmersforskare har nyligen presenterat ett genombrott för nästa generations svavelbaserade batterier. Med hjälp av så kallad grafensvamp har de lyckats förbättra både energiinnehållet och livslängden markant.

Forskarna har använt sig av en porös och svampliknande aerogel som är baserad på grafen. Materialet fungerar som en fristående elektrod i battericellen och gör så att svavlet kan utnyttjas på ett bättre sätt.

Ett vanligt batteri består som regel av fyra delar: Det finns två bärande elektroder som är belagda med aktiva ämnen och kallas för anod och katod. Mellan dessa finns en så kallad elektrolyt, oftast en vätska, som gör så att joner kan överföras fram och tillbaka. Den fjärde komponenten är en separator som fungerar som en fysisk barriär. Den förhindrar att de två elektronerna får kontakt, samtidigt som den ser till att jonerna kan överföras.

I tidigare experiment har chalmersforskarna lyckats kombinera katoden och elektrolyten till en vätska, en så kallad katolyt. Med hjälp av denna kan batteriet bli lättare, få bättre energikapacitet och kortare laddningstid. De nya experimenten med grafenbaserad aerogel, så kallad grafensvamp, har visat att katolytmetoden är mycket lovande.
För att få den önskade effekten börjar forskarna med att lägga ett tunt lager av den porösa aerogelen av grafen på ett vanligt knappbatteri.

– Du tar grafensvampen, i form av en lång tunn cylinder , och sedan skär du den som en salami. Du tar en skiva och pressar ihop den så att den går att integrera i battericellen, säger Carmen Cavallo som är forskare på institutionen för fysik på Chalmers och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.
Sedan tillsätts en svavelrik lösning - katolyt - till batteriet. Lösningen sugs upp av den superporösa grafensvampen.

– Det är den porösa strukturen i aerogelen som gör det möjligt. Den lyckas suga upp stora mängder vätska och gör därmed katolytmetoden användbar. Eftersom svavlet redan är upplöst i vätskan går inget förlorat i den processen. Svavlet kan färdas fritt fram och tillbaka och vi kan utnyttja det på ett mer effektivt sätt, säger Carmen Cavallo.

En del av katolytlösningen appliceras också på separatorn, för att den ska kunna göra sitt jobb. Samtidigt maximeras svavelhalten i batteriet.

Idag är det oftast litiumjonbatterier som används i allt ifrån mobiltelefoner till elbilar. För att kunna göra framtidens batterier riktigt effektiva och kraftfulla behövs nya kemiska mekanismer. Litiumsvavelbatterier har flera fördelar - bland annat sin höga energitäthet. Medan de bästa litiumjonbatterier som finns på marknaden idag levererar ungefär 300 wattimmar per kilo, kan ett litiumsvavelbatteri teoretiskt sett ge 1000–1500 wattimmar per kilo. Det skulle alltså kunna bli nästan tre till fem gånger så effektivt.

– Svavel är dessutom billigt, lättillgängligt och mycket mer miljövänligt. I det koncept vi har tagit fram behövs inte heller något fluor i batteriet. Det miljöskadliga ämnet förekommer däremot i dagens litiumjonbatterier, säger Aleksandar Matic som är professor på institutionen för fysik på Chalmers och leder gruppen som tagit fram de nya resultaten med grafensvamp.

Problemet med dagens litiumsvavelbatterier är att de än så länge är alltför instabila och dessutom har kort livslängd. Den grafenbaserade prototyp som chalmersforskarna tagit fram har däremot visat sig fungera betydligt bättre än sina nutida släktingar. Efter 350 laddningar har det fortfarande kvar 85 procent av sin ursprungliga kapacitet.

Det beror på att man lyckas undvika två huvudproblem: att svavel löser upp sig i elektrolyten och går förlorat, samt att svavelmolekyler tar sig från katoden till anoden och blir inlåsta.

Även om resultaten är lovande tar det sin tid innan ny teknik kan börja användas ute i samhället.

– Det är en lång resa innan den här typen av batterier kan nå marknaden. Eftersom de produceras på ett helt annat sätt än dagens batterier, krävs det nya tillverkningsprocesser innan de kan slå igenom kommersiellt, säger professor Aleksandar Matic.

Läs den vetenskapliga artikeln “A free-standing reduced graphene oxide aerogel as supporting electrode in a fluorine-free Li2S8 catholyte Li-S battery” i the Journal of Power Sources.

Mer om labbet som har använts i forskningen

På Chalmers materialanalyslaboratorium (CMAL) finns avancerade instrument för materialforskning. För att undersöka grafensvampens materialstruktur använde sig forskarna av ett nytt och avancerat så kallat transmissionselektronmikroskop på CMAL. Laboratoriet ligger formellt under institutionen för fysik men är öppet för alla forskare från universitet, institut och industri.

Stora investeringar har nyligen gjorts för att laboratoriet ska ligga i framkant när det gäller materialforskning. Totalt handlar det om utrustning för 66 miljoner kronor, varav forskningsfinansiären Knut och Alice Wallenbergs stiftelse har bidragit med hälften.

Invigning av världsunikt elektronmikroskop den 15 maj 2019

Den 15 maj invigs ett världsunikt och gigantiskt elektronmikroskop på Chalmers materialanalyslaboratorium. Det är tungt som en elefant och har tagit ett år att installera och justera. Nu öppnar Chalmers dörrarna för alla som är intresserade av att få dyka in i atomernas värld. Chalmers nya elektronmikroskop gör det möjligt för forskare att studera och designa framtidens smarta material.

Evenemanget kommer att vara öppet för både forskare och allmänhet som vill lära sig mer om ”elefanten i rummet” och de nya möjligheter som mikroskopet skapar. Forskare från när och fjärran kommer för att föreläsa, bekanta sig med den avancerade utrustningen och knyta nya band. Särskilt inbjudna är medlemmar i ett europeiskt nätverk för elektronmikroskopi, där Chalmers också ingår. Det kommer också flera ledande forskare inom fältet från både Europa och övriga världen.

Läs mer om invigningen här

Se hela programmet och anmäl dig

Mer om elektronmikroskopi

Elektronmikroskopi är ett samlingsnamn för olika typer av mikroskopi där man använder elektroner i stället för elektromagnetisk strålning för att få fram bilder av mycket små objekt. Med hjälp av denna teknik kan man komma förbi det synliga ljusets upplösningsgräns, vilket gör det möjligt att studera enskilda atomer.

Läs mer om Chalmers materialanalyslaboratorium här

För mer information

Carmen Cavallo, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, 031 772 33 10, carmen.cavallo@chalmers.se

Aleksandar Matic, professor, institutionen för fysik, Chalmers, 031 772 51 76, matic@chalmers.se

Taggar: