​Dold syrgas hinder för högre batterispänningar

Materialforskare vid Uppsala universitet har gjort ett genombrott när det gäller förståelsen av energilagring i Na-jonbatterier. Detta kommer att hjälpa framtagningen av nya material för framtida batterier som har signifikant högre och stabilare spänningar än tidigare. Det visar ny forskning som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature.

Ett viktigt mål inom batteriutvecklingen är att öka batteriernas energitäthet. Detta vill man uppnå till exempel genom att använda elektrodmaterial som tillåter högre spänningar vid uppladdningen. Samtidigt leder dessa höga spänningar oftast till att syrgas uppstår i elektrolyten. Detta är en oönskad bieffekt som bryter ner batteriet snabbare och framförallt reducerar den användbara lagrade energin.

Nyare Na-jonbaserade batterimaterial för katoden, till exempel Na_0.75[Li_0.25Mn_0.75]O₂, har inte haft samma problem med denna synliga syrgasutveckling. Däremot har de haft problem med att de förlorar spänningen snabbt. Nu har forskare vid Uppsala universitet, University of Oxford och Diamond Light Source hittat en lösning på problemet.

– Vi kan visa att dold syrgas som lagras ”osynligt” i Na_0.75[Li_0.25Mn_0.75]O₂-katoden uppstår vid batteriuppladdningen, säger Laurent Duda, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

– I ett tidigare forskningsarbete har vi rapporterat upptäckten om att syre ger dessa batterityper sin höga kapacitet men vi visste inte då att det handlade om dold syrgas. Med hjälp av högupplösande röntgenspektroskopi, som delvis har genomförts tillsammans med forskare från Diamond Light Source i England, kan vi nu visa det för första gången. Men vid batteriurladdning är det just syrgasmolekyler som minskar batterispänningen eftersom det kostar energi att bryta ner dem igen.

Forskarna ville även ta reda på hur den dolda syrgasen över huvud taget kan uppstå och lagras osynligt i dessa katoder. Framförallt ville de ta reda på om det finns ett sätt att undvika det.

Allt föll på plats när kollegerna vid University of Oxford kunde ta fram ett nytt material, Na_0.6[Li_0.2Mn_0.8]O₂, som visade sig vara mycket bättre på att bibehålla batterispänningen trots att det skiljde sig väldigt lite i sammansättningen från det tidigare materialet. Simulationsberäkningar hjälpte då till att spåra orsaken: det är materialens kristallstrukturtyp som är avgörande för den dolda syrgasbildningen. Materialet med honeycomb structure (Na_0.75[Li_0.25Mn_0.75]O₂) kan fånga syremolekyler medan det nya materialet (Na_0.6[Li_0.2Mn_0.8]O₂) har en ribbon structure med mindre hålrum som inte ger upphov till dold syrebildning.

– Det här kommer förmodligen ha stor betydelse för den fortsatta utvecklingen av forskningsfältet. Nu vet vi att dold syreutveckling kan vara ett problem och att man ska undvika material av viss kristallstrukturtyp, säger Laurent Duda.

House, R.A., Maitra, U., Pérez-Osorio, M.A. et al. Superstructure control of first-cycle voltage hysteresis in O-redox cathodes. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1854-3

Kontakt:

Docent Laurent Duda, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, laurent.duda@physics.uu.se, 018-471 35 12

Ny upptäckt ökar lagringskapacitet i Li-jonbatterier (pressmeddelande 2016) https://www.uu.se/nyheter-press/pressmeddelanden/pressmeddelande-visning/?id=3180&area=3,5,8&typ=pm&lang=sv