Röntgen och neutroner ska ge bättre batterier

Litiumjonbatteriet, som Nobelprisbelönades 2019, är litet och kraftfullt och sitter i de flesta apparater, inklusive bilar. Men batteriet kan bli 2–3 gånger mer kraftfullt om den flytande elektrolyten byts ut mot en i fast form.

En intensiv utveckling av batterier med fast elektrolyt pågår på labb över hela världen. En av utmaningarna är att kontrollera transporten av litiumjoner genom den fasta elektrolyten, som kan bestå av en tunn keram eller en polymer. En annan utmaning är att se till att det inte bildas dendriter, spetsiga beläggningar av litium som kan förstöra elektrolyten och orsaka kortslutning.

För att förstå vad som händer inne i batteriet när det laddas och laddas ut ska svenska och tyska forskare placera det i en korseld av röntgen och neutronstrålning. Röntgenstrålningen ger en bild av batteriets struktur. Samtidigt visar neutronstrålningen hur litiumjonerna rör sig i batteriet. Försöken ingår i ett nytt fyraåriga projekt, döpt till ANISSA (Advanced Neutron Imaging for Solid-State Batteries in Action), med deltagare från universiteten i Uppsala, Lund och Münster i Tyskland.

– Med röntgenstrålning går det inte att detektera litium, men det går däremot med neutroner. Metoderna kompletterar därför varandra och gör att vi kan se hur samspelet i battericellen fungerar, säger Kristina Edström, professor i oorganisk kemi vid Uppsala universitet.

Projektet har fått motsvarande 20 miljoner i anslag från Röntgen-Ångström Cluster som är ett tysk-svenskt forskningssamarbete inom materialvetenskap, med syftet att stärka forskning som använder neutroner och synkrotronröntgen.

Även den svenska neutronkällan European Spallation Source, ESS är med i batteriprojektet. Den bärbara röntgenutrustning som ska användas kommer att installeras på ESS och göra det möjligt för fler forskare att kombinera neutroner och röntgen.

ESS är dock ännu inte i drift så batteriförsöken i ANISSA kommer i stället att göras vid en neutronkälla i Frankrike. När ESS så småningom kommer igång 2027 kommer det ge nya unika möjligheter att ”se” in i bland annat batterier.

– Vi använder en intensiv pulsad neutronstråle som vi tror kommer öka känsligheten och ge en bättre bild av hur litium rör sig i ett batteri, säger Robin Woracek, forskare vid ESS med ansvar för det instrument där röntgenutrustningen kommer att placeras.

Kombinationen av röntgen och neutroner kan dock användas inom en rad andra områden. I en ny studie från Lunds universitet, där Robin Woracek är medförfattare, har en meteorit från Mars undersökts med samma metod.

– I det här fallet kunde vi visa var det fanns väte i meteoriten tack vare kombinationen med neutroner, säger han.