Dette supertynne smartfilteret kan gi elbilbatterier et mye lengre liv

Bilfabrikanter og andre som trenger lette, sikre, kraftige batterier, ivrer etter å ta i bruk litium-svovelbatterier (Li-S). Ikke bare lagrer de mer energi, og er tryggere og raskere å lade enn dagens litium ion-batterier – de er billigere å lage også.

Batterier med utfordringer

Det er bare det, at neste generasjons vidunder-batterier har ett, stort problem: De blir veldig fort utslitt. Grunnen er at de lider av det som kalles skyttel-effekten.

Postdoktor Önder Tekinalp ved NTNU Institutt for kjemisk prosessteknologi forklarer:

– Det handler om kjemiske stoffer, litium polysulfider (LPS), som dannes når batteriet er i drift. Stoffene beveger seg mellom elektrodene, den positive anoden og den negative katoden, i batteriet. Det er disse stoffene som gjør at LiS- batterier raskt brytes ned, taper kapasitet og får kort levetid.  

Dette forklarer også at denne batteritypen ennå ikke har flyttet inn i elbilene våre.

Nytt, tynt, smart filter

Professor Liuyan Deng og membranforskningsteamet  har utviklet et supertynt belegg med helt spesielle egenskaper, som kan endre på dette. Gjennom prosjektet HiSep-II har de tatt patent på belegget. Det har fått samme navn som prosjektet. 

Inne i et batteri sitter også en separator. Det er en skillevegg mellom elektrodene, som gjør at det virker effektivt og hindrer kortslutning. Når HiSep II-belegget legges utenpå veggen, virker den som et smartfilter.

Mange som jobber med å forbedre litium-svovel batterier, konsentrerer seg om ren kjemi i katode og elektrolytter. NTNU-forskerne har altså festet blikket på skilleveggen i stedet.

– Belegget blokkerer de skadelige kjemiske stoffene, og lar nyttige litium-ioner passere fritt, forklarer Tekinalp.   

Slanking forlenger livet

Levetiden til et batteri måles gjerne i ladesykluser. Én syklus er det samme som én fullstendig opplading og en fullstendig utlading. Testene fra laben på Gløshaugen i Trondheim viser at Litium svovel-batterier utstyrt med HiSep-II kan øke antall ladesykluser fra 200 til 1000. Det betyr 5 ganger så lang levetid for batteriene. 

Bilfabrikanter og andre jobber på spreng for å få frem lette, sikre, kraftige batterier. Bildet er fra Volkswagens batteriselskap Powerco som har bygget opp svære fabrikker i Tyskland, Spania og Canada for å produsere høykvalitets battericeller. Pressefoto: Volkswagen AG VIS MER

Batteripakken i en elbil består av mange deler. Ifølge forskerne kan den patenterte teknologien slanke en 800 volts batteripakke med over 200 kilo. Det igjen, betyr betydelig bedre effektivitet og mye lengre rekkevidde.
At denne neste generasjonens elbilbatterier lages av svovel, som det finnes mye av, gjør dem også billige å produsere.

Les også: I denne laben lager forskere et selvreparerende og miljøvennlig elbilbatteri

– Reelt alternativ for elbiler

Önder Tekinalp mener forskningen deres er et gjennombrudd, som vil bidra til at Litium svovel-batterier nå rykker opp som et reelt alternativ for elbiler. 

– Selv om HiSep-II ennå ikke er tatt i bruk i elbiler, har vi vist at den håndterer skyttel-effekten. Den har vært den store bremseklossen for kommersiell utnyttelse – til nå, sier forskeren.

HiSep-II tok patent på separatoren i 2023, og jobber sammen med NTNU Technology Transfer for å få den ut i markedet.

Også til vanns, på land og i lufta

Kristina Nydal, forretningsutvikler i NTNU Technology Transfer. Foto: TTO VIS MER

– Målet er å skalere opp teknologien og lisensiereen tillatelse, spesiell bevilling til å utnytte en oppfinnelse eller ekspertise som en annen har patent på eller disponerer den ut til en industripartner slik at den kan tas i bruk i alt fra elbiler til lagring av grønn energi, sier forretningsutvikler i TTO, Kristina Nydal.

Hun mener Hi-Sep II kan bidra til økt sikkerhet i batteriene, og sier at teknologien er ideell for bruk på områder som luftfart, romfart, elbiler, droner og maritim transport.

– Den er også et attraktivt og kostnadseffektivt alternativ for lagring av energi. Særlig der lang levetid og stabilitet er avgjørende faktorer. 

Produksjonsprosessen er miljøvennlig, teknologien er laget for å enkelt kunne oppskaleres, og den kan fungere sammen med dagens litium-baserte batterier

Må oppskalere og teste

Før de er klare for markedet må eksterne aktører teste teknologien. Filteret må bygges inn i Li-S batterier, og ytelsen må sjekkes og bekreftes av en uavhengig tredjepart. Å dokumentere at teknologien er pålitelig og stabil på lang sikt er avgjørende.

De må også sikre at det nye smarte filteret kan produseres trygt, økonomisk lønnsomt og med jevn kvalitet.

Patentprosesser koster mye og bør tilpasses industriell bruk av teknologien. Nå jakter TTO på en interessert lisenstaker som kan finansiere videre patentering og kommersialisering og delta i de planlagte testene.

Les også: Vi trenger billigere batterier om flere skal velge elbil

Batterier med fordeler

– Men vi har flere ganger hørt om varslede gjennombrudd for svovelbatterier de siste årene.  På hvilken måte mener dere at NTNU-teknologien skiller seg ut?

– Mange Li-S-gjennombrudd setter søkelys på å forbedre katodematerialermaterialene i en katode varierer avhengig av type batteri men i elbiler består katoden av et aktivt materiale som for eksempel litiumjernfosfat  eller elektrolytteropprinnelig brukt som fellesbetegnelse på kjemiske forbindelser som når de løses i vann gjør løsningen elektrisk ledende ved påvirkning av et elektrisk felt. HiSep-II retter seg mot separatoren, eller filteret, alene. Det er en enklere, mer skalerbar løsning uten bruk av komplekse materialer.

– Produksjonsprosessen er miljøvennlig, teknologien er laget for å enkelt kunne oppskaleres, og den kan fungere sammen med dagens litium-baserte batterier, sier forsker Önder Tekinalp.

Superbelegg. Postdoktor Önder Tekinalp forklarer at lab-testene deres viser at Litium svovel-batterier utstyrt med HiSep-II belegget an øke antall ladesykluser fra 200 til 1000. Det betyr 5 ganger så lang levetid for batteriene. Foto: Sølvi W. Normannsen VIS MER