Miljövänligare, billigare, med större lagringskapacitet och ökad livslängd:det ställs många krav på framtidens batteri. Ett spanskt team av forskare använder laserteknik för att designa nästa generations batterier.

Veteranen bly-syra batterier, som har fungerat bra i ungefär ett sekel till låg kostnad, tycks inte ha råd med tillräckligt med lagringskapacitet för vår tids behov. Säkert, de var inte designade för elbilar. Andra försök som Ni-Cd (nickelkadmium) eller Ni-MH (nickelmetallhydrid) har visat sig vara för svaga för att driva ett elfordon.

Även om det var ganska dyrt i sin kommersiella pop-up i början av 90-talet, litium-jon-tekniken (Li-ion) har blivit rimlig med tiden och den kan nu tillfredsställa driving range-behoven för många människor. Den genomsnittliga dagliga pendlingssträckan över hela världen är under 50 km. Dock, viktiga aspekter som kostnad och stabilitet måste justeras, säger forskare.

Under det EU-finansierade projektet Laser4Surf, forskarna tar upp en av dessa parametrar, nämligen stabiliteten hos Li-ion-batteriet. "Vi använder lasern för att ändra strömkollektorytan, som är en av batterikomponenterna, tillverkad av metall. Dessa ändringar kommer att förbättra batteriets stabilitet, vilket förlänger dess livslängd, " förklarar fysikern Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez, gruppledare för Advanced Interface Analysis på CIC energiGUNE i Álava, Spanien.

Alla litiumjonceller (batterier) har en strömavtagare i båda ändar. Elektrodmaterialet gjuts som färg på varje strömavtagare; den lagrar litiumjonerna och frigör dem vid behov, under batteridrift. Tekniskt, laserns verkan på metallytan möjliggör bättre vidhäftning av elektroden till strömavtagaren. Detta förhindrar alla oönskade reaktioner som kan utlösa elektroddelaminering från strömavtagaren.

"Dessa modifieringar kan också öka batteriets prestanda under hög effektbelastning. Med lasern, vi vill öka den aktiva ytan på strömavtagaren, gör det möjligt för den att hantera fler elektroner i laddnings- och urladdningsprocessen, ", tillägger Miguel Angel Muñoz.

De nuvarande Li-ion-batterierna som sätter igång elbilar är tillräckligt starka. Beroende på tillverkande företag, en bil kan köra mellan 200 och 500 km utan att ladda batteriet. Huvudproblemet är överkomliga priser, eftersom kostnaden för batteriet är cirka 40 % eller 50 % av kostnaden för bilen. "Denna siffra kan sänkas antingen genom att förbättra tekniken, som vi gör i Laser4Surf-projektet, eller genom att hitta billigare material. Om en lösning för att förlänga batterilivslängden hittas, detta skulle bli en framgång även om det kommer till ett högre pris. Batteriet håller längre och investeringarna kommer att betalas av, säger Muñoz.

En annan viktig fråga i projektet handlar om batterihållbarhet. I Laser4Surf, forskarna hoppar över ett kemiskt steg i tillverkningsprocessen:kolbeläggningen av strömavtagaren. Kolbeläggning på ett vanligt Li-ion batteri förbättrar strömavtagarens prestanda, t.ex. för att säkerställa en bättre elektrisk kontakt mellan strömavtagaren och elektroden. "Lasern modifierar ytan på strömavtagaren och tar bort behovet av kemisk beläggning. Samtidigt, laserns gravering förbättrar både den elektriska och mekaniska kontakten, därför fungerar batterierna bättre, " förklarar Muñoz.

Efter det första labbtestet, Miguel Angel Muñoz är full av hopp om framtiden för denna forskning:"I den här andra halvan av projektet, vi arbetar på en prototyp utvecklad i beläggningslinjen, finns i vårt centers torrrum. Den här prototypen kommer att ha ungefär samma storlek som ett mobiltelefonbatteri och den erhållna cellen kan betraktas som en förindustriell prövning." Nästa steg är att övertyga batteriföretagen om att dessa fynd är konkurrenskraftiga. "Ett av målen i det här projektet är att bygga maskiner som kan modifiera kopparytan i stor skala, så det blir en förindustriell prototyp. Om allt går bra, på mindre än tio år, vi kommer att kunna producera det i industriell skala, " han lägger till.

"Att förbättra kontakten mellan det aktiva materialet och strömavtagaren är extremt viktigt och det är ett mycket bra tillvägagångssätt för att öka batteriets livslängd och laddningsprestanda, " säger Prof. Stefano Passerini, direktör vid Helmholtz-institutet i Ulm, Tyskland och chefredaktör för "Journal of Power Sources". Han tror att laser kan vara en framgångsrik teknik, eftersom det kostar mindre nu. Dock, en nytta/kostnadsbalans bör beräknas och först då kan forskningens effektivitet bedömas.

"Det faktum att användning av laserteknik kan förbättra kontakten bör demonstreras. Jag är medveten om andra laserapplikationer, där teamen planerar att göra spår i elektroderna för att öka elektrodtjockleken, dvs. energitätheten, samtidigt som god kraftprestanda bibehålls. Denna kombination skulle vara bra för energilagring, men alla dessa tillvägagångssätt måste demonstreras i industriell skala, " Passerini säger, och tillägger att det tar mycket lång tid för industrin att förändra etablerade processer om inte en betydande förbättring eller enorma kostnadsbesparingar är uppenbara.

Ändå, denna typ av forskning kan ge betydande kostnadsbesparingar för företag, tror Muñoz. Varje genombrott har mätbar inverkan på batteriindustrin och kan hjälpa till att få mer finansiering för ett labb som gör det möjligt att ägna mer ansträngningar i denna riktning.

Fler och fler vetenskapliga grupper ägnar tid åt att studera batterier. "Det finns olika nivåer av forskning. För det första, det finns tillämpad forskning, utförs av företag. Resultat från denna typ av forskning ger kortsiktigt genomslag och risken för projektets framgång är låg. För det andra, det finns forskning baserad på stegvisa förbättringar, med kort till medellång sikt effekt, med högre risk, typiskt utvecklat av teknikcentra. Här, arbetsgrupper försöker förbättra batterikapaciteten och minska kostnaderna. Till sist, det finns grundforskning med medellång till lång sikt och hög risk, som vanligtvis utförs av forskningscentra eller universitet. Deras resultat kan åstadkomma en revolution, ett paradigmskifte. Team kan till exempel upptäcka ett nytt material för högpresterande litiumjonbatterier, en ny produktionsmetod, ett nytt elektrodmaterial eller en ny elektrolyt som kan föra ut natriumjon- eller litiumsvavelbatterier på marknaden mot Li-jon, " förklarar Muñoz.

The overall demand for better performing batteries leads to various ways of approaching the topic and synergies among different levels of research seem to be needed more than ever.