Litium-svavelbatterier har möjlighet att utmana Li-jonbatteriet genom att mer energi lagras, men problemet rör dess korta livslängd. Nu uppger forskare vid Uppsala universitet att de lyckats identifiera några av de huvudsakliga flaskhalsarna. Studien publiceras i tidskriften Chem.
Litium-svavelbatteriet uppfyller mycket som står på önskelistan för framtida batterier: billiga och miljövänliga material, större energiinnehåll än litium-jonbatterier, och de fungerar bra även vid mycket låga temperaturer. Men de har problem med energiförluster och kort livslängd. I en ny vetenskaplig artikel har ett team Uppsalaforskare kartlagt vilken sorts reaktioner det är som begränsar prestandan i batteriernas svavelelektrod, vilka i sin tur beror på vilken strömstyrka som tas ur batteriet. Olika sorts reaktionsprodukter bildas, vilket leder till olika former av tillkortakommanden. Ofta uppstår en lokal brist på litium i delar av batteriet, vilket utgör en tydlig flaskhals.
– Det är genom kunskap om tillkortakommanden som vi kan utveckla nya strategier och nya material för att förbättra batteriernas prestanda. Det handlar om att identifiera de här flaskhalsarna, för att kunna ta nästa steg. Och det är en svår forskningsuppgift i ett så komplext batteri som litium-svavel, säger Daniel Brandell, professor i materialkemi vid Uppsala universitet och aktiv vid Ångström Advanced Battery Centre.
Studien bygger på att kombinera omfattande metoder där olika typer av strålningsspridning används, röntgenanalys i Uppsala, men inte minst med neutroner från stora forskningsanläggningar. Experimenten utfördes delvis i Frankrike, men kan om några år göras också i Sverige när forskningsanläggningen ESS i Lund står klar.
– Detta visar på styrkan i att kunna använda den här infrastrukturen för att lösa de materialvetenskapliga problem vi står inför, säger professor Adrian Rennie, professor vid institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet.
– Satsningarna på den här sortens instrumentering må vara kostsam, men är nödvändig för att kunna förstå så komplexa system som de här batterierna utgör. En mängd olika reaktioner sker parallellt, och material bildas och försvinner snabbt när batteriet arbetar.
Studien utfördes i samarbete med forskare på Scania.
– Även den tunga fordonssektorn behöver elektrifieras, och inte bara personbilar. De måste följa med i utvecklingen av en rad olika batterier som snart kan bli högst relevanta, säger Daniel Brandell.
Yu-Chuan Chien, Matthew J. Lacey, Nina-Juliane Steinke, Daniel Brandell, Adrian R. Rennie (2022) Correlations between precipitation reactions and electrochemical performance of lithium-sulfur batteries probed by operando scattering techniques, Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2022.03.001
