Forskning om laddningsbara knappbatterier som ersätter litium med giftfria material
Institutionen för materialvetenskap (MSE) och institutionen för industriell produktion (IIP) vid ITM har inlett ett samarbete för att undersöka batterimaterial och batteriproduktionsprocesser. Syftet med forskningen är att optimera både kostnaden och prestandan för laddningsbara knappbatterier tillverkade av giftfria material.
Nuvarande batteriteknik bygger på litiumjoner. Eftersom litium är en begränsad resurs finns det en risk att det kan bli en bristvara i framtiden– inte minst till följd av den pågående elektrifieringen av bilar och andra fordon. En del oroar sig även över att behöva förlita sig på litium från lågkostnadsländer där ohållbara gruvdriftsmetoder används.
MSE:s professor Natalia Skorodumova har forskat kring alternativa batterimaterial. Hennes forskningsgrupp har utvecklat elektroder som är gjorda av giftfria metaller täckta med en kolbiomassa och där elektrolyten är en vatten-saltlösning. Forskningen visade sig vara lovande. Forskningsgruppen utvecklade material som kunde lagra lika mycket energi som dagens knappbatterier – och dessutom kunde batterierna laddas.
–Vi var också intresserade av att kunna tillverka batterier – inte bara elektroderna. Så när IRIS-projektet startade tog vi kontakt med våra kollegor på IIP för att diskutera hur vi kunde arbeta tillsammans för att utveckla batterier. säger professor Natalia Skorodumova.
Förbättring av tillverkningsprocessen
MSE fokuserar på materialutveckling, och genom IRIS är det möjligt för Dr Veena Singh att arbeta som postdoktor i projektet. IIP:s bidrag, som leds av professor Antonio Maffei och även involverar Fabio Marco Monetti, fokuserar på utvecklingen av processer för att tillverka batterierna. Är IIP:s bidrag till projektet enbart expertrådgivning, eller bidrar de även med faktisk forskning?
- Det är definitivt forskning. Så snart ett nytt material introduceras i en produktionsmiljö uppstår ett behov av forskning. Vi behöver känna till egenskaperna hos det nya materialet, säger Fabio.
En nyckelegenskap hos batterielektroder är dess viskositet eftersom materialet måste kunna spridas för att bilda en elektrod. IIP:s forskning bedömer vad som eventuellt skulle fungera, och verifierar sedan i nästa steg vad som faktiskt fungerar och hur tillverkningsprocessen kan förbättras och standardiseras. Dessa är nyckelaspekter i forskning inom produktionsområdet.
– I IRIS-projektet tittar vi också på hur man kan automatisera batteriproduktionsprocesserna. I början av IRIS-projektet tillverkades varje enskild batterielektrod individuellt för hand. Det var en mycket konstnärlig process som helt förlitade sig på Veenas färdigheter. Det nuvarande skedet i forskningen är att tillverka partier av batterier. I nästa steg kommer vi att införa automatiserade maskiner så att vi kan halvautomatisera processen, säger Fabio.
Lärdomar från projektet
Natalia Skorodumova tycker att det varit en läroprocess att bedriva samtidigt bedriva forskning om både batterimaterial och batteriproduktionsprocessen. I forskningsgruppen pågick många diskussioner om möjliga lösningar och flera olika alternativ testades. I forskningspublikationerna presenteras däremot vanligen enbart resultaten, inte vägen dit.
– Våra resultat hittills visar att batterierna kan laddas och laddas ur under tusentals cykler – och vi testar fortfarande. Våra manuella produktionsprocesser kan producera batterier till en högre kostnad än priset för ett litiumjonbatteri. Vi strävar också efter att minska produktionskostnaderna när vi verifierar den långa livscykeln för våra laddningsbara batterier tillverkade av hållbara källor, säger Natalia.