n MATERIALEKEMI Glas som batterimateriale Ikke-krystallinske glasmaterialer er typisk noget, vi forbinder med vinduer og skærme, men kan også forbedre ydeevnen af batterier. Af Søren Strandskov Sørensen og Morten Mattrup Smedskjær, Institut for Kemi og Biovidenskab, Aalborg Universitet I materialeforskningen inden for bat- terier er der stor interesse i at erstatte den flydende elektrolyt med et fast materiale for at forbedre sikkerheden og energitætheden i nye faststofbat- terier [1]. Oftest er fokus på ordnede krystallinske materialer, men ikke- krystallinske glasmaterialer har vist sig at have en række fordele over krystal- ler [2,3] . Nye batterier kræver nye materialer Siden den galvaniske celle lagde grund- laget for den moderne elektrokemi for flere hundrede år siden, er udviklingen af moderne batterier aldrig gået hurti- gere. Et af de primære fokusområder er forbedringen af transportable genopla- delige batterier, der er blevet en hjørne- sten i den grønne omstilling, for eksem- pel til brug i transportsystemer (biler, tog, osv.). Den oftest anvendte batteri- teknologi baserer sig på lithium-ioner, der under afladning bevæger sig fra en faststofanode gennem en elektrolyt, før den inkorporeres i en fast katode. Imens bevæger den tilhørende elektron sig gennem et eksternt kredsløb og afsætter en spænding, der for eksempel kan drive en motor (figur 1). Selvom Li-ion batteriet har høj energitæthed i forhold til galvaniske celler, er der langt op til energitæthe- den for eksempelvis flydende brænd - sler (benzin, diesel, flybrændstof) [4]. En af de store begrænsninger i denne proces er den flydende elektrolyt, der desuden kan udgøre en markant brandfare ved kortslutning. Af denne årsag fokuserer meget materialeforsk- ning på at udvikle en faststofelektro- lyt. Denne giver mulighed for at bruge Figur 1. Skematisk illustration af, hvordan lithium-ioner flytter sig i et faststofbatteri under af- og opladning. Elektronerne kan ikke passere direkte gennem faststofelektrolytten, men tvinges gennem et eksternt kredsløb. en metalbaseret anode (i stedet for grafit som primært anvendes i dag) og dermed opnå højere energitæthed end det flydende alternativ. Introdukti onen af et fast materiale kommer dog med en række nye problemer, blandt andet fordi ionledningsevnen typisk er lavere i faste stoffer sammenlig - net med væsker, mens faste stoffer også kan opleve mekaniske brud. For faststofelektrolytter er sidstnævnte et markant problem, der kan nedsætte ydeevnen af batteriet eller ligefrem medvirke til kortslutning. Fordele ved glas Historisk har udviklingen af faststof elektrolytter primært fokuseret på krystallinske materialer, hvilket har nogle klare fordele: De kemiske be- standdele og de dannede strukturer kan som oftest løses præcist. Til gengæld er selve ionledningsprocessen relativt kompleks, da større materialevolume- ner (>>mm 3 ) næsten altid vil bestå af en stor mængde krystaller (polykrystal), hvorfor ionledningsevnen vil være kraf- tigt afhængigt af morfologi fra nano- til millimeterskala, krystalstørrelser, orientering og graden af ”sammen- smeltning” af enkeltkrystaller. Disse problematikker kan ofte overkommes ved brug af glasmaterialer, det vil sige ikke-krystallinske materialer. Disse er produceret ved først at smelte en krystal for derefter at nedkøle væsken så hurtigt, at den ikke når at ordne sig til en krystal. Det dannede faste stof er i den såkaldte glastilstand. I modsætning til krystaller har glas ikke nogen partikelkornsgrænser, hvilket gør det nemt at forme og danne sammenhængende strukturer af glas. Således kan hele elektrolytten dan- nes i ét sammenhængende lag med homogene egenskaber. Derudover er glassets egenskaber uafhængige af orientering, hvilket blandt andet viser sig på nanoskala ved, at ioner ikke ledes i velordnede kanaler, som det ellers ofte er tilfældet i krystaller (figur 2). 10 Dansk Kemi, 106, nr. 5, 2025 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her