Image
""

Kjemien kan gå i stå når du hurtiglader bilen. Illustrasjonsfoto: Colourbox

Derfor tærer hurtiglading på kapasiteten til bilbatteriet

Når litium-ioner presses fort gjennom batteriet, kan de hope seg opp i flaskehalser der de blir til rent metall. Da gjør ikke lenger noen nytte.

Tenk å kunne tanke opp elbilen mens du kjøper en pølse. Eller å fylle opp telefonen mens du pusser tennene.

– Hurtiglading er en slags hellig gral. Alle som eier en bil eller et apparat basert på et litiumionbatteri, ønsker seg det, sier senioringeniør David Wragg ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN).

Inne i batteriet foregår det imidlertid mye komplisert kjemi som kan være følsom for hvor fort det blir ladet opp. Det er mye som kan gå galt.

– Tap av kapasitet er det mest kritiske, sier Wragg til Titan.uio.no.

""
David Wragg forsker på ny batteriteknologi ved Kjemisk institutt. Foto: UiO

– Det er mulig å lage batterier med veldig høy kapasitet som gjør at du kan kjøre elbilen 1000 kilometer. Men når du har ladet og utladet batteriet noen ganger, vil du miste omtrent halvparten av den kapasiteten og rekkevidden.

Alle oppladbare batterier blir dårligere etter som tiden går, men denne negative effekten er ekstra sterk når batteriet blir utsatt for hurtiglading. Wragg er en av forskerne bak en studie som viser hvorfor.

Det er ikke lett å tallfeste nøyaktig hvor mye kapasitet som går tapt i akkurat ditt bilbatteri. Blant annet fordi batteriet allerede er ladet opp og ned flere ganger før det sendes ut på veien. Men kjemien inne i batteriene viser tydelig at det skjer ting som reduserer rekkevidden.

Wragg og kollegaene har nemlig kunnet se at litiumionene, som er så viktige for kapasiteten i et batteri, omdannes til rent litiummetall. Da gjør de ikke lenger noen nytte for seg, og denne effekten forsterkes betraktelig gjennom hurtiglading.

Batteriet er som en gyngestol

På den ene siden av batteriet ligger anoden, og på den andre siden ligger katoden. Begge disse, som med en samlebetegnelse kalles elektroder, kan lagre elektroner og ioner. Mellom dem ligger en separator og et flytende elektrolytt som hjelper ionene fra den ene siden til den andre.

Ioner og elektroner beveger seg fra den ene siden av batteriet til den andre når du bruker strømmen som er lagret der. Og tilbake igjen når du lader det opp.

– Det er en slags gyngestol-mekanisme, hvor du gynger ionene og elektronene fra den ene siden til den andre.

LES OGSÅ: Slik bygges et batteri trinn for trinn

– Når de er ferske og fungerer perfekt, kan batterier lagre en viss mengde ioner, og det er den totale kapasiteten til systemet.

Når ionene, som før beveget seg frem og tilbake, blir til metall, er de ikke lenger i stand til å bevege seg gjennom batteriet. Ionene er ladet og kan lokkes frem og tilbake. Metallatomene er nøytrale, og lar seg ikke friste verken i den ene eller den andre retningen.

– Når litium først er omgjort til metall, er det ikke lenger tilgjengelig for de elektrokjemiske reaksjonene i batteriet. Denne kapasiteten er fullstendig tapt, sier Wragg.

Dette skjer i alle oppladbare litiumionebatterier når du har ladet dem mange nok ganger. Men hvorfor blir det verre når du hurtiglader?

Flaskehalser under hurtiglading

Under hurtiglading flyttes det samme antallet ioner gjennom systemet, men mye fortere. Alle ionene må finne sin plass i anoden på mye kortere tid.

– Når du lader med dobbel hastighet, må du flytte samme mengde ioner og elektroner på halve tiden, sier Wragg.

Lader du fire eller seks ganger så fort blir det naturlig nok enda vanskeligere.

– Det er vanskelig fordi det finnes visse grenser for den kjemien som skjer når du prøver å putte litiumioner i et fast elektrodemateriale veldig fort, sier Wragg.

Anodene, som mottar ioner under lading, er laget av grafitt, et materiale som består av syltynne lag med karbon. Anoden består av flere millioner slike lag. Åpningene ionene skal finne, er ikke store.

– Ren grafitt er som en kortstokk, og litiumionene er som små kuler som blir presset inn i mellom kortene. Problemet er at det kan oppstå flaskehalser når du presser litiumionene inn mellom lagene i grafitten. Du fortsetter å presse inn ioner, men hvis ikke ionene som allerede er der, kan dyttes lenger inn i kortstokken, så finnes det ikke ledig rom for de nye ionene.

– Når du lader batteriet veldig fort, sprer ikke litiumet seg ut i grafittelektroden i det hele tatt. Det sitter bare fast nær elektrolytten, der anoden og katoden er atskilt.

""
Dårlig tid? Det kan gå ut over kapasiteten til batteriet. Illustrasjonsfoto: Colourbox

Litiumioner hoper seg opp

Det er særlig her, i disse flaskehalsene, at de ladede ionene blir til nøytrale atomer og samler seg i bitte små metallklumper. Ionene kommer seg ikke videre, samtidig som det pøses på med elektrisk strøm. Denne overflødige strømmen kan være det som endrer et ion til et nøytralt og stabilt atom.

– Dette kalles litiumplettering. Det er når litiumioner, i stedet for å forbli i ionisk form, blir til litiummetall. Det har vært kjent ganske lenge at dette skjer i batterier, men det har tidligere ikke blitt observert i et batteri som er i bruk, sier Wragg.

Det har imidlertid Wragg og kollegaene klart. Ved hjelp av røntgenstråler skannet de batterier hvert 25. millisekund, om og om igjen mens de ble hurtigladet med ulik styrke. Dette ga dem enorme datamengder om hva som skjer helt nede på atomnivå.

– Vi kunne faktisk se litiumbelegget bygge seg opp. Under hurtiglading kunne vi se mengden litium øke veldig raskt. Vår teori er at det har noe å gjøre med disse flaskehalsene av litiumioner. Vi ser mye litiumioner nær separatoren, og det er også her vi ser litiumpletteringen.

– Det mest sannsynlige er at det bygger seg opp med litiumioner som ikke kan komme til grafitten. Det er mye varme der fordi de blir tilført mye energi, og så blir de redusert til litiummetall.

De så hvordan grafittlagene nærmest den andre elektroden var veldig rike på litium, mens det dypere inn nesten ikke var litium i det hele tatt. Og verre ble det jo hurtigere de ladet.

– Jo hardere du presser, desto raskere skjer pletteringen, sier Wragg.

LES OGSÅ: Her jakter forskerne på bedre, billigere og mer miljøvennlige batterier

Fremtiden: nanorør og grafén?

Studien er på ingen måte noe dødsstøt for hurtiglading. Det betyr bare at forskere må finne nye og bedre løsninger.

– Det viktigste å hente ut fra dette for folk som lager batterier, er å prøve å finne metoder som kan forbedre litiumtransporten, slik at når du lader raskt, er det større sjanse for at litiumet faktisk kommer seg gjennom hele grafittanoden, sier Wragg.

Over hele verden leter forskere etter nye materialer og metoder som kan gjøre at batteriene tåler hurtiglading bedre.

– For eksempel er det mange som jobber med nanorør av karbon. Slike nanorør er det du får hvis du tar et av kortene og krøller det rundt i et rør. Det er som en grafitt som er blitt formet til rør i stedet for å være flat.

Wragg og kollegaer ved UiO jobber med grafén, et materiale som består at ett enkelt lag av karbonatomer, i anoden.

– Grafitt har vært kjent i hundrevis av år, grafén og nanorør bare i omtrent 30 år. Så det tar tid.

Foreløpig har ingen av disse nyvinningene dukket opp i kommersielle batterier.

– Men det kommer til å skje. Det er det ikke tvil om, sier Wragg.

Vitenskapelig artikkel:

Donal P. Finegan, David S. Wragg mfl: Spatial dynamics of lithiation and lithium plating during high-rate operation of graphite electrodes. Energy & Environmental Science, juli 2020.