När litiumjoner tvingas snabbt genom ett batteri kan de fastna och förvandlas till litiummetall som inte längre kan röra sig genom batteriet.

Föreställ dig att du kan tanka din elbil samtidigt som du stannar för ett snabbt mellanmål eller fyller på telefonen medan du borstar tänderna.

"Snabbladdning är en sorts den heliga gralen. Det är vad alla som äger en litiumjonbatteribaserad enhet vill kunna göra", säger senioringenjör David Wragg från Center for Materials Science and Nanotechnology vid Universitetet i Oslo.

Inuti batteriet finns det dock en hel del komplicerad kemi som kan vara känslig för hur snabbt det laddas. Saker och ting kan gå fel.

"Kapacitetsförlust är den mest kritiska," säger Wragg till Titan.uio.no.

"Det är möjligt att tillverka batterier med mycket hög kapacitet som gör att du kan köra din elbil 1000 km, men efter att du har laddat och laddat ur den några gånger, skulle du förlora ungefär hälften av den kapaciteten och räckvidden.

Alla uppladdningsbara batterier försämras med tiden, men denna negativa effekt är extra stark när batteriet utsätts för snabbladdning. Wragg är en av forskarna bakom en studie som visar varför.

De har kunnat se att litiumjonerna, som är så viktiga för ett batteris kapacitet, omvandlas till ren litiummetall och inte längre är användbara. Och viktigast av allt:denna effekt förstärks avsevärt av snabbladdning.

Batteriet är som en gungstol

På ena sidan av batteriet finns anoden och på andra sidan katoden. Båda dessa elektroder kan lagra elektroner och joner. Mellan dem finns en separator och en flytande elektrolyt som hjälper jonerna från ena sidan till den andra.

Joner och elektroner rör sig från ena sidan av batteriet till den andra när du använder strömmen som lagras dit och tillbaka igen när du laddar om det.

"De kallar det här gungstolsmekanismen, där du gungar järnen och elektronerna från ena sidan till den andra."

"När de är fräscha och de fungerar perfekt kan batterier lagra en viss mängd joner, och det är systemets totala kapacitet", säger Wragg.

När jonerna, som brukade röra sig fram och tillbaka, förvandlas till metall kan de inte längre röra sig genom batteriet. Jonerna är laddade och kan lockas fram och tillbaka. Metallatomerna är neutrala och kan inte frestas i någon riktning.

"När litium väl förvandlas till metall är det inte riktigt tillgängligt för den elektrokemiska reaktionen längre. Denna kapacitet är helt förlorad", säger Wragg.

Detta händer i alla uppladdningsbara litiumjonbatterier när du har laddat dem tillräckligt många gånger. Men varför blir det värre när du laddar snabbt?

Flaskhalsar under snabbladdning

Under snabbladdning rör sig samma antal joner genom systemet, men mycket snabbare. Alla joner måste hitta sin plats i anoden på mycket kortare tid.

"När du laddar med dubbel hastighet måste du flytta samma mängd joner och elektroner på halva tiden", säger Wragg.

Laddar du fyra eller sex gånger så snabbt blir det naturligtvis ännu svårare.

"Det är svårt eftersom det finns vissa gränser för kemin som pågår när du försöker sätta litiumjoner i ett fast elektrodmaterial riktigt snabbt", säger Wragg.

Anoderna, som tar emot joner under laddning, är gjorda av grafit, som är bildad av tunna lager av kol. Anoden består av flera miljoner sådana lager.

"Tom grafit är som en kortlek och litiumjonerna är som små bollar som trycks in i utrymmena mellan korten. Problemet är att du kan få flaskhalsar när du försöker trycka litiumjonerna mellan lagren i grafiten.

"Du fortsätter att trycka in joner, men om inte jonerna som redan finns mellan lagren kan trycka djupare in i stapeln finns det inget utrymme för nya joner att komma in i. När du laddar batteriet riktigt snabbt sprids inte litiumet genom hela grafitelektrod överhuvudtaget. Den fastnar bara nära elektrolyten, där anoden och katoden separeras."

Det är särskilt här, i dessa flaskhalsar, som de laddade jonerna blir neutrala atomer och ackumuleras i små metallklumpar. Jonerna rör sig inte längre, samtidigt som energi tillförs. Denna överskottsenergi kan vara det som förändrar en jon till en neutral och stabil atom.

"Det kallas litiumplätering. Det är när litiumjoner, istället för att stanna i jonformen, förvandlas till litiummetall. Detta har varit känt ganska länge, men det har inte riktigt observerats i ett fungerande batteri tidigare," Wragg säger.

Detta har dock Wragg och hans kollegor lyckats göra. Med hjälp av röntgenstrålar skannade de batterier var 25:e millisekund, om och om igen samtidigt som de laddade snabbt med olika hastigheter. Detta gav dem enorma mängder data om vad som händer ända ner till atomnivå.

"Vi kunde faktiskt se litiumplätering byggas upp. Under snabbladdning kunde vi se mängden litium öka mycket snabbt. Vår teori är att det har något att göra med denna flaskhals av litiumjoner. Vi ser mycket litiumjoner nära separatorn och det är också här vi ser litiumplätering, säger Wragg.

"Det mest troliga är att du får dessa litiumjoner att byggas upp och de kan helt enkelt inte komma åt grafiten längre. De fastnar där och det finns mycket värme, mycket energi som läggs in i dem, och så minskar de till litiummetall."

De såg hur grafitskikten närmast den andra elektroden var mycket rika på litium, medan djupare in i den fanns nästan inget litium alls. Det blev värre ju snabbare de laddade.

"Ju snabbare du trycker på den, desto snabbare sker plätering," säger Wragg.

Framtiden:nanorör och grafen?

Studien är inte på något sätt slutet på snabbladdningen. Det betyder bara att forskare måste hitta nya och bättre lösningar.

"Nyckeln med det här är för människor som tillverkar batterier att försöka hitta sätt att förbättra litiumtransporten så att när du laddar snabbt, det finns större chans för litiumet att faktiskt komma igenom hela grafitanoden, " säger Wragg.

Forskare runt om i världen letar efter nya material och metoder som kan få batterier att klara snabbladdning bättre.

"Till exempel finns det många som använder kolnanorör. Kolnanorör är vad du får om du tar ett av korten och rullar runt det till ett rör. Det är som en grafit som har formats till rör snarare än lite platt. "

Wragg och kollegor vid universitetet i Oslo arbetar med grafen, enstaka ark grafit, i anoden.

"Grafit har varit känt i hundratals år. Grafen och kolnanorör har varit kända i cirka 30 år, så det tar tid."

Hittills har ingen av dessa innovationer dykt upp i kommersiella batterier.

"Men det kommer att hända, utan tvekan," säger Wragg.