Lithium-ion og endnu nyere lithium-polymer batterier har en begrænset levetid og mister gradvist deres kapacitet til at holde en opladning. Nu har amerikanske forskere muligvis fundet en metode til at revitalisere genopladelige lithium-batterier. Det kan potentielt øge rækkevidden i elbiler og give andre elektroniske enheder længere batterilevetid.
Når lithium-batterier op- og aflades, samles der små øer af inaktivt lithium, der er afskåret fra elektroderne. Det reducerer på sigt batteriets evne til at opbevare ladning. Men et forskerhold har opdaget, at de kan få dette “døde” lithium til at “krybe” mod en af elektroderne. Indtil det tilsluttes igen og kan genbruges.
– Jeg har altid været opmærksom på, at isoleret lithium var et problem. Det får batterier til at henfalde og endda brænde. Men nu har vi opdaget, hvordan man elektrisk forbinder dette døde lithium med den negative elektrode for at genaktivere det, fortæller Yi Cui. Han er professor ved Stanford University og har ledt forskningen.
Når den “døde” lithium forbindes til batteriets elektrode igen, bidrager den atter med elektroner til batteriets strømflow og lithiumioner til at lagre strøm. Forskerne erfarede, at processen stoppede nedbrydningen af deres testbatteri og øgede dets levetid med næsten 30 procent.
En langsom “lithium-orm”
Cui spekulerede i, at påføring af spænding til batteriets katode og anode kunne få lithium til at bevæge sig mellem elektroderne. En proces, som hendes team nu har bekræftet med deres eksperimenter.
Forskerne fremstillede en optisk battericelle med en lithium-nikkel-mangan-cobalt-oxid (NMC) katode, en lithium-anode og en isoleret lithium-ø imellem. Opsætningen gjorde det muligt for dem at spore i realtid, hvad der sker inde i et batteri, når det bruges.
De opdagede, at den isolerede lithium-ø slet ikke var “død”, men reagerede på batteridrift. Ved opladning af cellen bevægede øen sig langsomt mod katoden; ved afladning krøb den i den modsatte retning.
– Det er som en meget langsom orm, der trækker hovedet fremad og trækker halen ind for at bevæge sig nanometer for nanometer. Hvis vi kan holde lithium-ormen i bevægelse, vil den i sidste ende røre anoden og genetablere den elektriske forbindelse, fortæller Yi Cui.
Kan nemt bruges i et rigtigt batteri
Resultaterne, som forskerne validerede med andre testbatterier og gennem computersimuleringer, viser også, hvordan isoleret lithium kunne genvindes i et rigtigt batteri. Blot ved at ændre opladningsprotokollen.
– Vi fandt ud af, at vi kan flytte det løsrevne lithium mod anoden under afladning, og disse bevægelser er hurtigere under højere strømme, forklarer Stanford postdoc Fang Liu, hovedforfatter af undersøgelsen, der blev offentliggjort 22. december i Nature.
– Derfor tilføjede vi et hurtigt, højstrømsafladningstrin lige efter batteriopladningen. Det flyttede det isolerede lithium langt nok til at forbinde det med anoden igen. Dette genaktiverer lithium, så det kan deltage i batteriets levetid.
Hun tilføjer at metoden også har også vidtrækkende konsekvenser for design og udvikling af de mere robuste lithium-metal-batterier. Lithium-ion og lithium-metal-batterier virker nemlig efter samme principper.