Forskere ved DTU og to hollandske universiteter har opdaget et nyt materiale, der er overraskende godt til at lede lithium-ioner ved stuetemperatur. Opdagelsen kan føre til batterier, der er mere holdbare, lettere og mindre brandfarlige end almindelige lithium-ion-batterier.
Et batteri består af to elektroder, der er adskilt af en elektrolyt. Når batteriet bliver opladet eller afladet, skal ioner (ladede partikler) passere gennem elektrolytten fra den ene elektrode til den anden. Ioner kan let bevæge sig gennem væsker, men ved stuetemperatur har de meget sværere ved at bevæge sig gennem faste stoffer. Af den grund har de fleste batterier en flydende elektrolyt. Det gælder også de almindeligt udbredte genopladelige Li-ion-batterier. Der er imidlertid ulemper ved flydende elektrolytter: De kan lække, og de nedbryder elektroderne, hvorfor de med tiden forårsager nedsat kapacitet af batteriet. Desuden er de elektrolytter, der findes i Li-ion-batterier, brændbare, hvilket kan forårsage brandfare. Hvis man kan finde et fast stof med tilstrækkelig høj ionledningsevne vil det derfor være attraktivt som erstatning for den flydende elektrolyt.
Nu har forskere ved DTU Energikonvertering, universitetet i Utrecht og Radboud-universitetet i Nijmegen fundet en ny metode til at forbedre ionledningsevnen for faste stoffer, der indeholder lithium. Ved at indeslutte lithium-borohydrid (LiBH4) i de ultrasmå porer i nanokrystallinsk siliciumdioxid (SiO2) kan de gøre ledningsevnen af lithiumionerne mere end 1000 gange større end i almindeligt LiBH4. Ledningsevnen er stadig noget lavere ind den er i kommercielle flydende elektrolytter, men fremgangsmåden er heller ikke blevet optimeret endnu. Forskerne har stor tiltro til, at metoden med nanoindslutning kan være en generel strategi til at forbedre faste stoffers ledningsevne endnu mere.
Materialet blev oprindelig udviklet af forskere ved universitetet i Utrecht for dets evne til at lagre brint. Forbindelsen til batterier blev knyttet ved et tilfælde af seniorforsker Didier Blanchard fra DTU Energikonvertering. Han arbejder med avancerede batteriteknologier, og ved et foredrag på en konference hørte han, at BH4–-komplekserne var mere mobile, hvis de var nanoindsluttede. Men i så tilfælde burde lithium-ionerne også være mobile. Didier Blanchard kontaktede sine hollandske kolleger for at få nogle af deres prøver til at måle på. Det viste sig ikke alene, at materialets ledningsevne blev dramatisk forøget, men også at materialet kan tåle termiske svingninger og et bredt interval af elektrokemiske potentialer. Det gør materialet meget lovende til anvendelse i batterier. De næste skridt bliver at realisere et helt batteri med materialet som elektrolyt og at optimere dets egenskaber yderligere. ”Dette er kun begyndelsen”, udtaler en forventningsfuld Didier Blanchard!
Billedet viser skematisk opbygningen af det nye batterimateriale: Lithium-borohydrid (LiBH4) er indesluttet i porerne af det nanokrystallinske SiO2 (de stavlignende strukturer). Lithium-ionerne er vist med blå. Ikke alle ionerne er imidlertid mobile. Ifølge forskernes hypotese er det kun et tyndt lag inden for 1 nanometer af porevæggene, som indeholder de mobile Li-ioner (lyseblå). Vekselvirkningen mellem overfladen af porerne og LiBH4 stabiliserer en ionledende fase, hvilket øger ledningsevnen mere end 1000 gange.