Nærmer sig morgendagens batteri med hjælp fra en laser

Miljøvenligere, billigere, med større lagerkapacitet og længere levetid:Der stilles mange krav til fremtidens batteri. Et spansk team af forskere bruger laserteknologi til at designe den næste generation af batterier.

Veteran bly-syre batterier, som har fungeret godt i omkring et århundrede til en lav pris, synes ikke at have råd til nok lagerkapacitet til vores tids behov. Sikkert, de var ikke designet til elbiler. Andre forsøg som Ni-Cd (nikkelcadmium) eller Ni-MH (nikkelmetalhydrid) har vist sig for svage til at skubbe et elektrisk køretøj.

Selvom det var ret dyrt i sin kommercielle pop-up i begyndelsen af ​​90'erne, lithium-ion (Li-ion) teknologien er blevet rimelig med tiden, og den kan nu tilfredsstille mange menneskers behov for driving range. Den gennemsnitlige daglige pendlingsdistance på verdensplan er under 50 km. Imidlertid, vigtige aspekter som omkostninger og stabilitet skal justeres, siger forskere.

Under det EU-finansierede projekt Laser4Surf, forskerne behandler en af ​​disse parametre, nemlig stabiliteten af ​​Li-ion batteriet. "Vi bruger laseren til at ændre strømkollektoroverfladen, som er en af ​​batterikomponenterne, lavet af metal. Disse ændringer vil forbedre batteriets stabilitet, dermed forlænge dens levetid, " forklarer fysikeren Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez, gruppeleder for Advanced Interface Analysis ved CIC energiGUNE i Álava, Spanien.

Enhver lithium-ion-celle (batteri) har en strømaftager i begge ender. Elektrodematerialet støbes som maling på hver strømaftager; det gemmer lithium-ionerne og frigiver dem, når det er nødvendigt, under batteridrift. Teknisk set, laserens virkning på metaloverfladen giver mulighed for bedre adhæsion af elektroden til strømaftageren. Dette forhindrer enhver uønsket reaktion, der kan udløse elektrodedelaminering fra strømaftageren.

"Disse modifikationer kan også øge batteriets ydeevne under høje strømbelastninger. Med laseren, vi ønsker at øge den aktive overflade af strømaftageren, gør det muligt for det at håndtere flere elektroner i opladning og afladningsprocessen, " tilføjer Miguel Angel Muñoz.

De nuværende Li-ion-batterier, som sætter gang i elbiler, er stærke nok. Afhængigt af produktionsvirksomheden, en bil kan køre mellem 200 og 500 km uden at lade batteriet op. Hovedproblemet er overkommelighed, da prisen på batteriet er omkring 40 % eller 50 % af prisen på bilen. "Dette tal kan bringes ned enten ved at forbedre teknologien, som vi gør i Laser4Surf-projektet, eller ved at finde billigere materialer. Hvis der findes en løsning til at forlænge batterilevetiden, dette ville være en succes, selvom det kommer til en højere pris. Batteriet holder længere, og investeringerne vil blive betalt tilbage, " siger Muñoz.

Et andet vigtigt emne i projektet vedrører batteriernes bæredygtighed. I Laser4Surf, forskerne springer over et kemisk trin i fremstillingsprocessen:kulstofbelægningen af ​​strømaftageren. Kulstofbelægning på et almindeligt Li-ion batteri forbedrer strømaftagerens ydeevne, f.eks. for at sikre en bedre elektrisk kontakt mellem strømaftageren og elektroden. "Laseren modificerer overfladen af ​​strømaftageren og fjerner behovet for kemisk belægning. laserens gravering forbedrer både den elektriske og mekaniske kontakt, derfor fungerer batterierne bedre, " forklarer Muñoz.

Efter den første laboratorietest, Miguel Angel Muñoz er fuld af håb om fremtiden for denne forskning:"I denne anden halvdel af projektet, vi arbejder på en prototype udviklet i belægningslinjen, tilgængelig i vores centers tørrum. Denne prototype vil have den omtrentlige størrelse som et mobiltelefonbatteri, og den opnåede celle kan betragtes som et præindustrielt forsøg." Næste skridt er at overbevise batterivirksomhederne om, at disse resultater er konkurrencedygtige. "Et af målene i dette projekt er at bygge maskiner i stand til at modificere kobberoverfladen i stor skala, så der vil være en præ-industriel prototype. Hvis alt går fint, på mindre end ti år, vi vil være i stand til at producere det i industriel skala, " tilføjer han.

"Det er ekstremt vigtigt at forbedre kontakten mellem det aktive materiale og strømaftageren, og det er en meget god tilgang til at øge batteriets levetid og ladeydelse, " siger prof. Stefano Passerini, direktør ved Helmholtz Instituttet i Ulm, Tyskland og chefredaktør for "Journal of Power Sources". Han mener, at lasere kunne være en succesfuld teknologi, da det koster mindre nu. Imidlertid, Der bør beregnes en balance mellem fordele og omkostninger, og først derefter kan effektiviteten af ​​forskningen vurderes.

"Det faktum, at brug af laserteknologi kan forbedre kontakten, bør demonstreres. Jeg er bekendt med andre laserapplikationer, hvor holdene planlægger at lave riller i elektroderne for at øge elektrodetykkelsen, dvs. energitætheden, samtidig med at den gode effekt ydes. Denne kombination ville være god til energilagring, men alle disse tilgange skal demonstreres i industriel skala, "Passerini siger, tilføjer, at industrien tager meget lang tid at ændre etablerede processer, medmindre en væsentlig forbedring eller enorme omkostningsbesparelser er indlysende.

Ikke desto mindre, denne form for forskning kan medføre betydelige omkostningsbesparelser for virksomheder, mener Muñoz. Ethvert gennembrud har målbar indvirkning på batteriindustrien og kan hjælpe med at få flere midler til et laboratorium, der gør det muligt at afsætte flere kræfter i denne retning.

Flere og flere videnskabelige grupper bruger tid på at studere batterier. "Der findes forskellige niveauer af forskning. For det første, der er anvendt forskning, udført af virksomheder. Resultater fra denne type forskning giver kortsigtet effekt, og risikoen for projektets succes er lav. For det andet der er forskning baseret på trinvise forbedringer, med kort til mellemlang effekt, med en højere grad af risiko, typisk udviklet af teknologicentre. Her, arbejdsgrupper forsøger at forbedre batterikapaciteten og reducere omkostningerne. Endelig, der er grundforskning med mellem- til langsigtet effekt og høj risiko, som typisk udføres af forskningscentre eller universiteter. Deres resultater kan medføre en revolution, et paradigmeskifte. Hold kunne for eksempel opdage et nyt materiale til højtydende lithium-ion-batterier, en ny produktionsmetode, et nyt elektrodemateriale eller en ny elektrolyt, der kunne bringe natriumion- eller lithiumsvovlbatterier på markedet mod Li-ion, " forklarer Muñoz.

Den overordnede efterspørgsel efter bedre ydende batterier fører til forskellige måder at gribe emnet an på, og synergier mellem forskellige forskningsniveauer ser ud til at være nødvendige mere end nogensinde.