Fasta litiumbatterier har potential att förändra energilagring genom att erbjuda högre energitäthet och ökad säkerhet jämfört med dagens litiumjonbatterier. Men den begränsade livslängden är en stor utmaning.

Nu har forskare vid Luleå tekniska universitet tagit fram nya material som kan förlänga batteriernas livstid avsevärt.

– Våra nya material kan förlänga batteriets livslängd och bidra till utvecklingen av mer miljövänlig energilagring, säger Jiajia Li, som nyligen disputerat i energiteknik vid Luleå tekniska universitet.

Litium-metallbatterier ses som en lovande lösning för framtidens energisystem. De erbjuder både hög prestanda och förbättrad säkerhet. Genom att ersätta den traditionella flytande elektrolyten med en fast elektrolyt – det som kallas solid-state-teknik – kan man nå högre spänning och minska risken för brand eller läckage.

Fasta batterier har stor potential för exempelvis elfordon, stationär energilagring och bärbar elektronik. Med längre räckvidd, snabbare laddning och högre säkerhet kan de spela en viktig roll i den gröna omställningen och bidra till ett mer hållbart energisystem. Men för att tekniken ska bli kommersiellt gångbar krävs att de fasta elektrolyterna fungerar tillförlitligt i praktiken – något som forskare vid Luleå tekniska universitet arbetar med.

– För att fasta elektrolyter ska fungera i verkliga tillämpningar behöver ledningsförmåga, långtidstabilitet och motståndet i gränsytan mot elektroder förbättras, säger Jiajia Li.

Forskningen fokuserar på fasta elektrolyter baserade på poly(jonvätskor) – plastliknande material som leder joner. Genom att justera materialens struktur har forskarna förbättrat transporten av litiumjoner och gränsytan mellan elektrolyten och övriga batterikomponenter. Ett av de utvecklade materialen möjliggjorde stabil drift i över 1 000 laddnings- och urladdningscykler utan att prestandan försämrades.

– Många fasta litiumbatterier tappar i prestanda redan efter 500–700 cykler, så det här är en tydlig förbättring. Våra material fungerar dessutom vid högre spänningar än vad som vanligtvis är möjligt, säger Jiajia Li.

Forskargruppen har också integrerat cellulosaacetat från trä i elektrolyterna för att öka både den mekaniska hållfastheten och hållbarheten ur miljösynpunkt. De nya materialen behöll hög prestanda vid spänningar upp till 4,8 volt, samtidigt som batteriernas livslängd förbättrades.

Flera utmaningar återstår dock innan tekniken kan användas i kommersiella produkter – till exempel möjligheten att tillverka materialen i större skala och att testa dem under mer realistiska förhållanden som varierande temperaturer och snabbladdning.

– Det här är ett viktigt steg framåt, men det krävs mer utveckling innan tekniken är redo för exempelvis elbilar. Vi måste säkerställa att materialen fungerar stabilt även vid höga belastningar och i varierande miljöer, säger Xiaoyan Ji, professor i energiteknik vid Luleå tekniska universitet och huvudhandledare samt ansvarig projektledare för forskningen.

Forskningen sker i samarbete med Institute of Process Engineering vid Chinese Academy of Sciences. Resultaten har väckt internationellt intresse och har accepterats för publicering i högt rankade vetenskapliga tidskrifter som Advanced Materials och Nano-Micro Letters.

Läs mer: Avhandlingen Constructing Poly(Ionic Liquid)s-Based Solid State Electrolytes and Application in Lithium Metal Batteries