Forskare vid Fraunhofer ISE har testat litiumjonceller med kiselrik anod i mer än 1 000 fullständiga cykler. Resultaten visar att tekniken kan kombinera hög energitäthet med en livslängd som närmar sig kraven för kommersiell användning.
En av de största utmaningarna för nästa generation litiumjonbatterier är att öka energiinnehållet utan att samtidigt försämra livslängden. Nu rapporterar Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE att egenutvecklade så kallade pouchceller med kiselrik anod har klarat mer än 1 000 fullständiga laddnings- och urladdningscykler.
Cellerna hade en kapacitet på 25 amperetimmar och behöll mer än 83 procent av sin ursprungliga kapacitet efter testet. Den uppmätta energitätheten var 280 wattimmar per kilo på cellnivå i ett forskningsformat som ännu inte är optimerat för serieproduktion. Institutet bedömer att ett industriellt anpassat format skulle kunna nå omkring 330 wattimmar per kilo.
Kisel ökar kapaciteten – men sväller vid laddning
Dagens litiumjonbatterier använder i huvudsak grafit i anoden. Kisel kan lagra betydligt mer litium än grafit, vilket skapar möjlighet till högre energitäthet och därmed längre räckvidd för elfordon eller lägre vikt i andra tillämpningar.
Problemet är att kisel förändrar volym kraftigt när det tar upp och avger litium. Det mekaniska slitage som uppstår kan bryta ned elektroden och försämra batteriets kapacitet över tid. I Fraunhofer ISE:s tester bestod 51 procent av anodens aktiva material av en kisel-kolförening, kombinerad med grafit.
Forskarna använde också olika mekaniska tryck mot cellerna under drift. Ett högre kontakttryck på 1 000 kilopascal gav bättre långtidsegenskaper än 300 kilopascal. Trycket minskade bland annat risken för att elektrodmaterial skulle lossna från varandra eller från strömkollektorn.
Viktigt steg, men inte färdig kommersiell produkt
Att klara mer än 1 000 cykler med över 80 procents kvarvarande kapacitet beskrivs av Fraunhofer ISE som ett viktigt mål för kiselrika anoder. Samtidigt visar resultaten att cellernas prestanda behöver bedömas under realistisk belastning. Kapaciteten kan se bättre ut vid långsam testning än under regelbunden drift med högre effektuttag.
För elfordon kan tekniken på sikt ge längre räckvidd utan att batteripaketen behöver bli tyngre. Den kan också användas för att minska batteristorleken vid oförändrad räckvidd, vilket skulle kunna påverka materialåtgång, fordonsvikt och kostnader. För stationära energilager är vikt normalt mindre avgörande, men högre energitäthet kan ändå ge effektivare utnyttjande av lokaler och containerbaserade system.
För svensk energimarknad ligger den främsta betydelsen därför på längre sikt. Mer energitäta och hållbara batterier kan underlätta elektrifieringen av vägtransporter och stärka möjligheterna att lagra el från väderberoende produktion. Det kan i sin tur öka flexibiliteten i elsystemet, även om teknikens faktiska genomslag beror på kostnader, produktionskapacitet, råvaruförsörjning och hur cellerna fungerar i fullskaliga batteripaket.
Fraunhofer ISE:s resultat är fortfarande från forskningsceller. Nästa steg blir att visa att prestandan kan behållas när tillverkningen skalas upp, samtidigt som säkerhet, kostnad och livslängd verifieras i kommersiella produkter.
