The 18th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB-18), 19-24 juni, Chicago

Creative commons license

Idag får ni Johan Scheers bevakning av en batterikonferens

The 18th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB-18), 19-24 juni, Chicago

skrivet av Johan Scheers (Chalmers)
Första intrycket. Lägg den termen på minnet när du planerar en konferens nästa gång. Söndag morgon i en öde hotellkällare, jag skriver in Scheers på en datorskärm och trycker på ”print”. Den lilla skrivaren spottar ut en namnbricka som jag stoppar i ett av plastfodralen intill. Jag tar ett programblad. That’s it.
Ingen välkomstreception, ingen konferensväska, inga blänkande vita tänder blottade i ett självsäkert amerikanskt leende, inga välkomnande ögon, inte ens ett hej och hallå. Effektivt, jovars, men nog känns det som om mina 900 USD hade kunnat räcka också till ett lite varmare välkomnande…
När The Electrochemical Society (ECS) anordnar den 18:e upplagan av IMLB så är det i källaren på Hyatt Regency, Chicago. Kontrasten kan omöjligtvis vara större mot den pompa och ståt i form av ankor, tranor och slagverk som mötte deltagarna ”över markplan” vid 16:e IMLB i Korea 2012 [1]. Konferensen ges vartannat år, men mötet däremellan – 17:e IMLB i Como, Italien – besökte jag aldrig och det har vi inte heller rapporterat om här.
Fem dagar, 1400 besökare från 21 länder, varav 600 studenter, ca 1200 posterpresentationer och 75 inbjudna talare. Där har ni förutsättningarna för årets upplaga av IMLB. Samtliga abstrakt finns att ladda ner från konferensens hemsida [2].
Svenska bekanta som jag springer på är; Kristina Edström, Torbjörn Gustafsson, Josh Thomas och Matthew Lacey (Uppsala Universitet), Matilda Klett + student (KTH), Hanna Bryngelsson (AB Volvo). Från Chalmers finns Manfred Kerner, Nareerat Plylahan (nu CEVT) och Toshihiko Mandai (nu Tokyo Metropolitan University). Säkert finns fler ”svenskar” på plats, men totalt är vi betydligt färre än de 35 jag räknade till i Korea 2012. Det gäller också det totala antalet konferensdeltagare (IMLB-16: 1900 deltagare från 35 länder).
Många batterikoncept, material och tekniker avhandlas. Li-jon, Na-jon, Mg, Ca, Li-S, Li-luft och Zn-luft finns alla representerade, vilket visar att konferensen trots titeln rör mycket mer än litiumbatterier. Många presentationer är översikter över en forskningsgrupps aktiviteter och går därmed inte så mycket på djupet, några är mer eller mindre repriser från IBSE i Florida tidigare i år [3] och några är ”köpta” av företagssponsorer.
Som motpol till rapporten om kiselanoder från IBSE så fokuserar jag här på de litiumrika katoder som finns alldeles runt hörnet och några små, men viktiga, steg framåt för litium-syre batterier – ett batterikoncept för en avlägsen framtid (eller kanske aldrig). Jag avslutar kort med lite information om en ny typ av spännande vattenbaserade elektrolyter för ”högspänningsceller”.
Litiumrika interkalationskatoder är ett återkommande nyckelord som jag snappar upp redan första presentationen. Jean-Marie Tarascon (Collège de France) uppmärksammar i konferensens första presentation det 25-årsjubilerande Li-jonbatteriet och nästa steg i katodutvecklingen: litiumrika oxider, Li2MO3, med kapaciteter på upp till ca 300 mAh/g. Det unika med dessa oxider är att inte bara övergångsmetallerna utnyttjas för redoxreaktioner utan även syreatomerna, 2O2-/(O2)n-, vilket leder till den extra kapaciteten (ca 75-100%) jämfört med de katoder som är standard idag.
Den praktiska utmaningen med de litiumrika oxiderna är att förhindra spänningsfall och minskad kapacitet vid upprepade cykler och inflytelserika forskargrupper världen över försöker just nu förstå hur de fungerar, kan förbättras och kontrolleras. Här finns bl.a. Kristina Edström med på ett hörn [4] i en av flera pinfärska studier i tidskrifter med stark genomslagskraft [4-6].
Marie-Liesse Doublet (Université Montpellier) diskuterar instabila strukturer hos litiumrika oxider, vikten av katjonmigration och förlust av syreatomer, som bakgrund till spänningsfallet [7].
Gerbrand Ceder (U.C. Berkeley) avhandlar mekanismerna kring ”syreredox”, vad som händer på atom- och elektronnivå när Li-koncentrationen runt syreatomerna ökar. Presentationen delar han mycket professionellt via sin hemsida där också relevanta artiklar finns att ladda ner [8].
Det verkar vara stor enighet och uppslutning kring dessa material. Michael Thackerey (Argonne National Laboratory) lyfter stegvisa förbättringar av litiummetalloxider som vägen framåt och nämner Li2MnO3 specifikt. Doron Aurbach (Bar-Ilan University) ser dopning av material med metalljoner tillsammans med ytbeläggningar som lösningen att stabilisera litium- och manganrik NMC (Ni, Mn, Co). Det är hans fasta övertygelse att interkalationsmaterial är vad som gäller också för framtiden.
Litium-syrebatterier (Li-O2) har inte samma enade kör av ja-sägare bakom sig. Stanley Whittingham (Binghamton University) är kanske en av de mest bittra motståndarna. Han presenterar inte här, men hindrade vid ISBE tidigare i år ganska effektivt möjligheterna till en konstruktiv diskussion om Li-O2 batterier då han proklamerade att dessa en gång för alla är döda nu när IBM har packat ihop sin forskning [9]. Han refererade också till en nu två år gammal ”statusrapport” av tidigare IBM-forskarna Alan Luntz (SUNCAT) och Bryan McCloskey (Lawrence Berkeley National Laboratory) [10]. Det finns dock de som tycker annorlunda och de båda senare är fortfarande högst aktiva i forskningsfältet.
Doron Aurbach nämner under sin breda presentation även Li-O2 batterier ”Vi ska inte lova något, men samtidigt skall vi inte ge upp. Kunskapskurvan stiger brant och det är värt att fortsätta satsa på den här forskningen”.
Peter Bruce (Oxford University) har tidigare gett uttryck för liknande känslor: “So far we haven’t seen any show stoppers for lithium-air, but equally I don’t know whether it will work and be viable, I don’t believe anyone does at this stage.”[9]. Vid IMLB sammanfattar han de senaste framstegen att bättre förstå elektrolytens roll att växa stora litiumperoxidpartiklar (Li2O2) istället för tunna elektriskt isolerande filmer som leder till ”sudden cell death” [11].
Lösningsmedel med god förmåga att donera elektroner i interaktioner med andra molekyler och joner (high donor number) är avgörande för att lösa LiO2 i elektrolyten och fälla ut Li2O2 i en lösningsmedelsdriven process [12]. Enligt Peter Bruce är en viktig nyckel att frikoppla energilagringen från elektrokemin; att lagra energin i form av (Li2O2), men att låta så kallade redoxmediatorer sköta elektronöverföringen. Just sökandet efter lämpliga redoxmediatorer som kan minska överpotentialer och oönskade processer i cellen är en ny och viktig forskningstrend. De senaste resultaten från Bruce grupp involverar en benzoquinonene, DPPQ, som redoxmediator [13].
För att lämna den intresserade med ytterligare lästips som räcker hela sommaren – och ger en inblick i den kreativa forskning och stigande kunskapskurva som Doron Aurbach refererar till – så finns:
1) en aktuell och kontroversiell artikel från Clare Grey (University of Cambridge) i Science om användandet av LiI som redoxmediator i ett Li-O2 batteri med LiOH (och inte Li2O2) som produkt [14]. Grey är på plats vid IMLB, men tyvärr är detta inte ämnet för hennes presentation.
2) en artikel i Nature från Argonne National Laboratory om en cell med litiumsuperoxid (LiO2) som produkt [15]. Larry Curtiss presenterar resultaten här och lyfter fram att LiO2, till skillnad från Li2O2, är elektriskt ledande och inte visar samma akuta reaktivitet med elektrolyten. Begränsningen för cellerna är istället litumkorrosion, troligtvis på grund av syre som korsar elektrolyten från katod till anod.
3) ett koncept som inte använder sig av en organisk elektrolyt utan en eutektisk smälta av oorganiska salter [16]. Artikeln nämns i förbigående i en presentation av Bryan McCloskey som också är involverad i forskningen om lösningsmedelsdrivna processer [12] och nyligen har summerat utmaningarna att utveckla lämpliga katodmaterial för Li-O2 batterier generellt [17].
Li-O2 batterierna verkar sammanfattningsvis alltså inte ännu vara ett utdött och bortglömt släkte, utan forskningen ser ut att fortsätt göra framsteg och föra teknologin framåt.
Vattenbaserade elektrolyter i batterier med hög energidensitet är i likhet med användandet av syre från luften ett hållbart drömscenario för framtiden. Nu har vattenbaserade elektrolyter demonstrerats i litiumbatterier som, precis som organiska elektrolyter, kan bilda passiverande ytskikt (SEI) på elektrodytorna [18]. Resultatet är ett betydligt bredare elektrokemiskt fönster, på ca 3 V istället för 1.23 V, inom vilket batteriet kan användas utan att vätgas eller syrgas utvecklas vid elektroderna. Dessa ”Water-in-salt” elektrolyter är ett led i en väldigt spännande utveckling av elektrolyter med väldigt höga saltkoncentrationer – ett koncept som nyligen sammanfattats här [19].
Under konferensen presenterar Liumin Suo (University of Maryland) sina senaste resultat med en blandning av två salter ”Water-in-Bisalt” – ett dyrare organiskt salt för att forma SEI och ett billigare oorganiskt salt för att reducera vattenaktiviten – och nämner som mål batterier med en energidensitet av ca 450 Wh/kg [20] med detta elektrolytkoncept. Hittills har man demonstrerat celler med 200 Wh/kg.
Eftersom det på grund av mängden salt inte finns så mycket vatten kvar i elektrolyterna i slutändan, så kan man fundera på hållbarheten, men klar är att det är ett spännande koncept som vi säkert får chans att återvända till med fler detaljer i framtiden.
Egna kommentarer är en vanlig avslutning på dessa nyhetsbrev, men som märkt har jag har svårt att spara alla subjektiva intryck till slutet. Total är IMLB ett bra tillfälle att orientera sig om vad som händer i fältet, men det blir lite väl mycket summeringar eftersom alla som presenterar har varit med länge och här har en chans att visa upp alla sina aktiviteter på en gång.
Långa dagar och en lång vecka gör att energin inte räcker till för tre kvällar med posterpresentationer – i alla fall inte för mig. Det är en god idé att låta alla posters sitter uppe samtidigt under hela konferensen, men en dålig idé att man inte har tillträde till salen hela tiden. Själv planerar jag ett tappert försök att studera posters på morgonen sista konferensdagen, men då är de flesta borta och ställningarna på väg att monteras ned.
Det finns mycket mer att säga om IMLB i Chicago, men då får det blir över en kopp kaffe och inte här – uppdragets 1000 ord är sedan länge passerade. Trevlig sommar!
(S)Cheers, Johan
Referenser
[1] IMLB 2016, Chicago
[2] 16th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB-16) juni 2012
[3] 33rd International Battery Seminar and Exhibit (ISBE) mars 2016
[4] Luo et al. Nature Chem. 2016 länk
[5] Seo et al. Nature Chem. 2016 länk
[6] Saubanére et al. Energy Environ. Sci. 2016 länk
[7] Sathiya et al. Nature Mat. 2015. länk
[8] Gerbrand Ceder U.C. Berkeley länk
[9] Two big labs step back from the most promising next-generation battery länk
[10] Nonaqueous Li–Air Batteries: A Status Report
länk
[11] Johnson et al. Nature Chem. 2014. länk
[12] Aetukuri et al. Nature Chem. 2015 länk
[13] Gao et al. Nature Mat. 2016 länk
[14] Liu et al. Science 2015 länk
[15] Lu et al. Nature 2016 länk
[16] Giordani et al. J. Amer. Chem. Soc. 2016 länk
[17] McCloskey et al. Chem. Comm. 2015 länk
[18] Suo et al. Science 2015 länk
[19] Yamada et al. J. Electrochem. Soc. 2015 länk
[20] Suo et al. Angew. Chem. 2016. länk