Batterier är avgörande för att uppnå ett fossilfritt och klimatneutralt samhälle. Solid-state-batterier ses som framtiden inom batteriteknik, men ytterligare forskning behövs. Ett nytt internationellt forskningsprojekt kommer att bidra till utvecklingen av solid state-batterier som har hög energitäthet, genom att studera nya batterimaterial med hjälp av kombinerad neutron- och röntgenavbildning.
Morgondagens hållbara batterier behöver lagra mer energi, laddas snabbare och vara säkrare än dagens dominerande litiumjonbatterier. Solid state-batterier är också litiumbaserade, men har en anod av ren litiummetall och en fast elektrolyt istället för flytande. Dessa batterier har potentialen att fördubbla lagringskapaciteten samtidigt som säkerheten förbättras. Men en del funktionella utmaningar behöver lösas innan storskalig produktion kan börja.
I projektet ANISSA (Advanced Neutron Imaging for Solid-State Batteries in Action) kommer forskare från universiteten i Uppsala och Lund (Sverige) samt Münster (Tyskland), att samarbeta med forskningsanläggningarna Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) och European Spallation Source (ESS) inom avancerade studier av nya batterimaterial och optimering av solid state-batterier.
– Jag har höga förväntningar på det här projektet, där vi med kompletterande expertiser går samman för att utveckla verktyg för ESS och framtidens batterier, säger Kristina Edström, Professor i oorganisk kemi på Uppsala universitet, och koordinator för det europeiska forskningsinitiativet Battery 2030+.
Forskningsprojektet ska pågå i fyra år och har beviljats 1,9 M€ i forskningsanslag från Röntgen-Ångström Cluster (RÅC), ett tysk-svenskt forskningssamarbete inom materialvetenskap med syftet att stärka forskning som använder neutroner och synkrotronröntgen.
ANISSA kommer att kombinera neutron- och röntgenavbildning. Dessa två experimentella tekniker kompletterar varandra och är mycket lämpliga för batteriforskning, även om de tidigare sällan använts för detta ändamål. Vid batteristudier kan en del av röntgenavbildningens begränsningar övervinnas med neutronavbildning, främst på grund av den höga känsligheten för litium.
– Den unika kombinationen av röntgen- och neutrontomografi ger helt nya insikter om förhållandet mellan materialets 3D-struktur och 3D-distribution av litium, vilket gör att vi bättre kan förstå exakt hur batterimaterialets struktur påverkar litiumtransport och lagring, säger Ingo Manke, chef för Imaging Group på HZB. Det här möjliggör utveckling och förbättring av nya material för solid state-batterier, som anses vara en av de mest lovande batterityperna för framtiden.
ANISSA möjliggör studier av batterisystem under realistiska driftsförhållanden. Projektet kommer att inskaffa en bärbar röntgenkälla för avbildning i hög upplösning, som inledningsvis kommer att användas för forskning vid neutronkällor i drift och senare installeras i ESS avbildningsinstrument ODIN. Detta kommer att möjliggöra tidiga forskningsresultat på ESS, redan innan anläggningen börjar leverera neutroner för forskning.
– Att ODIN-instrumentet kompletteras med en röntgenkälla gör att ESS inte bara kommer att flytta fram gränserna för forskning inom batteriteknik, utan även inom många andra områden, såsom medicinska implantat, byggmaterial och kulturarv, säger Robin Woracek, ESS Instrument Scientist.