Mer energi, samma vikt – framsteg för batterier med kisel i anoden

Kisel i batteriernas anod göra det möjligt att lagra betydligt mer energi utan att öka vikten. Men hittills har materialets kraftiga volymförändringar vid laddning och urladdning varit ett problem. Nu har forskare i Tyskland lyckats testa en battericell med kiselrik anod genom mer än 1 000 fullständiga laddcykler utan att kapaciteten sjönk under 80 procent.Bakom […]

Kisel i batteriernas anod göra det möjligt att lagra betydligt mer energi utan att öka vikten. Men hittills har materialets kraftiga volymförändringar vid laddning och urladdning varit ett problem. Nu har forskare i Tyskland lyckats testa en battericell med kiselrik anod genom mer än 1 000 fullständiga laddcykler utan att kapaciteten sjönk under 80 procent.

Bakom framsteget står forskare vid tyska Fraunhofer-institutet för solenergisystem, ISE, som inom forskningsprojektet StrOboBatt har utvecklat en egen battericell av så kallad folietyp. Cellen har en kapacitet på 25 amperetimmar och behöll mer än 83 procent av sin ursprungliga kapacitet efter över 1 000 laddcykler. Just att klara minst 1 000 cykler med minst 80 procent av den ursprungliga kapaciteten kvar brukar betraktas som en viktig förutsättning för kommersiell användning. 

En anod med en hög andel kisel kan lagra litiumjoner bättre än en anod med grafit, som idag är det vanligaste materialet i elbilsbatterier. Det innebär alltså en högre energidensitet, och därmed längre räckvidd. Biltillverkare som Porsche använder bland annat en anod med 6 procent kisel i batteriet till Cayenne Electric. Även Mercedes arbetar på att öka andelen kisel genom ett samarbete med amerikanska Sila Nanotechnologies som har utvecklat Titan Silicon, ett kompositmaterial av kisel och kol. Det kan enligt företaget ersätta hälften av mängden grafit i anoden och med det ge batterier med 20 procent högre energidensitet än idag.

Problemet är att kisel förändrar volym kraftigt när det tar upp litiumjoner under laddningen. Volymen kan öka med upp till 300 procent innan materialet krymper igen vid urladdning. De upprepade förändringarna belastar elektroden och kan leda sprickor med följden att batteriet åldras snabbare.

För att komma runt problemet använde forskarna vid Fraunhofer-institutet en blandning av kisel och kol. Materialet utgör 51 procent av det aktiva materialet i anoden. Tillsammans med en katod med hög nickelhalt tillverkades cellen på en pilotlina som ligger nära industriell produktion.

En viktig del av lösningen visade sig vara trycket som håller ihop cellens olika lager. Under testerna utsattes battericellerna för ett tryck på 1 000 kilopascal, motsvarande ungefär tio bar. Det bidrog till att hålla kontakten mellan elektroderna stabil trots kiselmaterialets volymförändringar. När trycket sänktes till 300 kilopascal försämrades kapaciteten betydligt snabbare.

Forskarna såg också att cellernas kapacitet minskade snabbare vid dynamisk belastning med hög effekt – alltså snabbladdning – än under mer skonsamma testcykler. Det är en viktig skillnad inför en eventuell användning i elbilar, där batteriet måste klara varierande effektuttag och laddning under verkliga körförhållanden.

I testerna uppmättes en energitäthet på 280 Wh/kg, vilket är en hög siffra. Enligt Fraunhofer ISE skulle industriellt optimerad tillverkning kunna höja nivån till omkring 330 Wh/kg, vilket innebär en ökning på upp till 35 procent jämfört med dagens battericeller med en kemi av nickel-mangan-kobolt (NMC). Jämfört med billigare litiumjärnfosftceller (LFP), som idag blivit allt vanligare, skulle energitätheten kunna bli nästan dubbelt så hög.

För en elbil skulle det kunna innebära en tydlig räckviddsökning utan att batteriets vikt ökar. Ett batteri på 100 kWh skulle då ha samma vikt som ett batteri på 75 kWh med dagens teknik. Räckvidden för en mellanklassbil skulle då kunna öka från omkring 450 kilometer till över 600 kilometer, menar forskarna.