Nyt kemisk gennembrud med stabiliseret lithium kunne muliggøre sikrere, billigere lithium-ion-batterier

Mens mange hævder, at lithium-ion (Li-ion) batterier kan blive erstattet af andre, mere lovende batteriteknologier på lang sigt, forbliver Li-ion relevant på grund af trinvise forbedringer og lover bedre, sikrere og billigere Li-ion-batterier i fremtid.

En af disse seneste Li-ion-innovationer kommer fra det amerikanske Argonne National Laboratory og FMC Lithium, som i fællesskab har udviklet et nyt udvalg af materialer for at muliggøre brugen af ​​stabiliseret lithiummetalpulver (SLMP), som har potentialet til at drive lithium-ion batterier sikrere og billigere.

Typiske elektroder i lithium-ion-batterier er lavet af lithium-pulver, der opslæmmes med bindemidler og opløsningsmidler, så det kan inkorporeres i batteriets elektroder. Når først de er aktiveret, fungerer lithiumpartiklerne som en kilde til lithiumioner, som pendler frem og tilbage mellem de to elektroder, mens cellen oplades og aflades.

Selvom brugen af ​​lithiumpulver giver Li-ion-batterier deres høje energitæthed, er ustabiliseret lithiumpulver ustabilt i luften og kan udgøre en alvorlig sikkerhedsrisiko under fremstilling eller under brug, hvis et Li-ion-batteri udsættes for stød eller beskadigelse. Selvom de fleste batterier er designet til at minimere disse risici, kan udskiftning af standard lithiumpulver med en stabiliseret variant gøre Li-ion-batterier sikrere og mere robuste, hvilket potentielt reducerer produktionsomkostninger og kompleksitet.

Som svar udviklede FMC Lithium – et datterselskab af den amerikanske kemivirksomhed FMC – Stabilized Lithium Metal Powder (SLMP) i 2004. SLMP består af ekstremt fine lithiumpulverpartikler, der er belagt med et beskyttende lag for stabilisering (se billedet nedenfor). Selvom det resulterende materiale er sikkert nok til at blive håndteret i et tørt produktionsmiljø, er det ikke kompatibelt med traditionelle bindemidler og opløsningsmidler, der er afgørende for at producere langtidsholdbare og højtydende elektroder.

Billedkilde: Argonne National Laboratory

Som svar udviklede et team af Argonne-kemikere ledet af John Zhang et nyt polymerbindemiddel og opløsningsmiddelsystem, der viste fremragende kompatibilitet med SLMP. Den nye kombination af polymerbindemiddel og opløsningsmiddel er opslæmningskompatibel og muliggør optimal udnyttelse af lithium, da SLMP er jævnt fordelt over hele elektroden. Argonne-forskere har også udviklet en ny, simpel kompressionsbaseret metode til aktivering af SLMP, der har potentialet til at reducere produktionsomkostningerne for Li-ion-batterier markant.

Den banebrydende forskning og udvikling førte til, at Zhang og hans kolleger blev anerkendt med FMC’s prestigefyldte Scientific Achievement Award. Argonne Labs er i øjeblikket i gang med at patentere den nye bindemiddel/opløsningsmiddel kombination og SLMP aktiveringsmetode. Dette vil supplere den brede vifte af patenter, som forskningsinstituttet allerede har inden for batterikatodeteknologi, og som det aktivt licenserer til industrien til store aktører som GM, LG Chemicals og BASF.

Zhang understreger den katalytiske rolle for forskningsinstitutter som Argonne, og siger: “Vores grundlæggende forskning i SLMP-teknologi og udviklingen af ​​nye metoder til at anvende lithiummetalproduktet i højenergi-Li-ion-batterier til elektriske køretøjer er et eksempel på, hvordan nationale laboratorier kan fungere.” – At hjælpe virksomheder med at udvide deres konkurrencefordel på det globale marked.”

Den tætte involvering af en lithium-specialiseret FMC lover også godt for fremtiden for Li-ion-teknologi og for SLMP, som lover højere energitætheder, længere levetid og lavere produktionsomkostninger. Og hvis Argonne Labs succes med at udvikle og kommercialisere batteriteknologier er nogen indikator, er der en god chance for, at SLMP i sidste ende vil finde vej til faktiske enheder og fortsætte med at holde Li-ion batteriteknologi konkurrencedygtig.

Top billedkredit: FMC lithium