Superbatteriet – nu igen… men med en twist

Skrivet av Patrik Johansson, Chalmers
Dagens nyhetsbrev handlar om det nya batterikoncept som lanserats av det moderna litiumjonbatteriets fader, .
Han som gett oss både LiCoO2 och LiFePO4 har nu ytterligare ett koncept, vilket skapat debatt. Originalartikeln av Braga et al. [1] har genererat ett antal press-releaser, nyhetsartiklar, bloggar och kommentarer och som ger en överväldigande mängd stoff att sortera, läsa, begrunda, värdera, och inte minst förstå [2-6].
Efter en snabb genomgång finner man dock en hel del skepsis och ganska motsägelsefulla påståenden, mer än vad som vanligtvis är fallet. Efter diskussioner om artikeln och det nya konceptet vid ett möte i batterigruppen på fysik på Chalmers konstaterades krasst att det finns fler frågor än svar.
Vi ska därför här försöka bena ut det som är grunden i konceptet så som det lanserats och om möjligt förenkla det så att det blir mera förståeligt och dessutom sätta det i ett fordonsperspektiv.
Vad är nytt?
Vid en väldigt snabb genomläsning av originalartikeln är denna i princip helt omöjlig att förstå och därmed att värdera det nya konceptet. Det finns inte några enkelt förståeliga celldata i termer av de sedvanliga mätningarna eller i måtten Wh/kg för cellenergiinnehåll, mAh/g för de aktiva materialens kapacitet, eller för den delen helt klart vilken cellspänning (V) som erhålls entydigt, även om flera grafer rapporterar olika cellspänningar. Det saknas helt enkelt en tydlig skrivning för hur cellen är uppbyggd och hur den fungerar.
Om man tränger djupare ner i texten så finner man att det är flera olika celler som beskrivs – ibland oklart vilket – och att cellspänningen utan last varierar – även över tid. Helt kort så används såväl Li- som Na-metall som anoder, två olika elektrolyter (ett måste eftersom de ska leda Li+ respektive Na+), och tre olika katoder: en kol-svavel (C/S) komposit (för att skapa ett Li-S batteri), en manganoxid (MnO2) (för att mera efterlikna ett traditionellt Li-jonbatteri), och en ferrocen-kol komposit (som rollen är oklar av). Dessa delar sätts ihop till tre olika celler och en del olika tester redovisas för de olika cellerna. Om en enda cell hade redovisats tydligt och alla tester gjorts på denna cell hade artikeln helt klart vunnit mycket i förståelse.
Men det rationella argumentet från Braga et al. för att redovisa de tre olika cellerna är att det nya konceptets bas är att visa att spänningen på cellen kan varieras via valet av katodmaterial, men att kapaciteten (och därmed energiinnehållet) enbart härrör ifrån metallen som deponeras på katoden. Detta blir ganska märkligt och cellernas spänning kommer alltså enligt Braga et al. ifrån potentialskillnaden mellan Li/Na-metall (anod) och Li/Na-metall (katod). Visserligen kan detta vara sant för ett ytterst tunt skikt då substratets potential (Ferminivå) kan ”läcka” igenom. I en senare kommentar menar Prof. Goodenough att skiktet snarare är på mikrometernivå. Detta visas dock inte alls i artikeln; det visas faktiskt inte ens att Li (eller Na) överhuvudtaget deponeras på katoden, trots att de påstår detta. För deras ”Li-S cell” relateras däremot detta mot kapaciteten de får ut för en mycket långsam urladdning (28 dygn, dvs ca C/200). Cellspänningen är ca. 2.34 – 2.68 V. Härifrån dras slutsatserna att Li-anoden vs. C/S-katoden sätter cellspänningen, men att det som genererar energin/kapaciteten är Li-metall på bägge sidor.
Sedan följer långa resonemang om hur dipolerna i glaselektrolyten linjerar upp sig över tid, hur detta påverkar olika kapacitanser i cellen, hur hål-par skapas vid mellanytan elektrod-elektrolyt, mm. Det stora övergripande problemet är egentligen att alla påståendena lider av ett grundläggande felslut: observationer på makronivå (t.ex. cellspänning) tolkas i termer av händelser på mikro-/molekylnivå utan att några observationer på den aktuella nivån görs. Och när det är nya kemier involverade är detta ett måste. Man kan alltså tänka sig att flera olika scenarier skulle kunna leda till det som observeras på makronivå. Vad som därför verkligen behövs är grundläggande karakterisering på material- och cellnivå för att stödja de påståenden de gör när det gäller vilka reaktioner som sker. Framförallt måste det säkerställas att litium eller natrium verkligen deponeras på katoden. Detta kan vara knepigt att bevisa, men ändock helt nödvändigt. Ett ganska vanligt problem när så långsamma cyklingar görs är att en hel del kapacitet kan komma ifrån olika sidoreaktioner, t.ex. elektrolytdegradering.
Intressant för fordon?
Hur är det då med fordonsperspektivet? Ja, författarna själva påstår att cellerna kommer funka för detta: ”…long-cycle life suitable for powering an all-electric road vehicle…”. Dock är den snabbaste laddningen de visar för en av celltyperna C/4.
Artikelns titeln indikerar att batteriet skulle vara säkert. Det som ’safe’ härrör från är att de använder en fastfaselektrolyt och likställer detta med ett säkert batteri, men det påvisas aldrig hur just detta koncept är säkert och inga säkerhetstester görs eller refereras till.
För en mera djupgående genomgång av både skepticismen och de brister som finns i mera detalj så rekommenderar vi starkt Dr. Matt Laceys (Uppsala) blogginlägg [7]. Däri finns dessutom räkneexempel för olika delar av artikeln och även olika alternativa förslag för vad som faktiskt kan tänkas ske i cellerna.
Vad tänka på?
Vad kan man då som lekman lära sig av detta ”case” och av genomgången ovan? Istället för att direkt fråga en batteriexpert kan man själv reflektera över följande: om detta nya koncept nu är revolutionerande kommer snart en expert berätta om detta för dig. Högst troligt är det inte det, dvs ingen orsak till ”panik/brandutryckning”, och man ska tänka på att tiden från koncept till en cell som kan användas i fordon kan vara 10-20 år. Rent allmänt så ser man här, utöver hur en vetenskaplig artikel kan passera peer-review utan att vara speciellt läsbar, tydliga exempel på hur argumentation och påståenden driver mellan olika artiklar inkl. originalartikeln och press-releaser etc. Oftast gäller det ju att man ska gå tillbaka till originalartikeln, men här kanske det tyvärr inte hjälper speciellt mycket.
Det som är lite utöver det vanliga och ger detta ”case” en speciell twist är att namnet Goodenough sänder så starka signaler och man skulle kunna förledas att tro att vi andra bara inte förstår det nya. Men problemet är snarare att om vi verkligen läser det som rapporteras ordentligt och tänker över hur andra celler rapporteras och utvärderas så finns det stora brister och så lite som talar för det som faktiskt påstås.
Referenser
[1] Alternative strategy for a safe rechargeable battery. M. H. Braga, N. S. Grundish, A. J. Murchison och J. B. Goodenoug. Energy and Environmental Science. länk
[2] Redox without Redox. Medium. 3 mars. länk
[3] Lithium-ion battery inventor introduces new technology for fast-charging, noncombustible batteries. Science Daily. 28 feb 2017. länk
[4]The Beguiling Promise Of John Goodenough’s New Battery Technology. Forbes. 17 mars 2017. länk
[5] Fast-charging batteries from renowned 94-year-old UT inventor show promise. Star-Telegram. 14 mars 2017. länk
[6]  Battery Researchers Mystified by New Goodenough Paper on Solid State Battery (“It’s Kind of Like Cold Fusion”). E-cat world. 20 mars 2017.  länk
[7] On the skepticism surrounding the ”Goodenough battery”. Matt Lacey. 29 mars 2017. länk