Oavsett energiförsörjning och elektromobilitet är batterierna en viktig komponent. På mässan i Hannover den 23-27 april, kommer forskarna vid Fraunhofer presentera litiumbatterier med förbättrade egenskaper: de är snabbladdande, böjliga, tryckresistenta och har optimal kylning.

Framtiden tillhör de elektriska fordonen. Experterna är övertygade om detta. Men det finns några utmaningar att övervinna innan tyst ”surrande” elbilar helt kan ersätta förbränningsmotorn. En sådan utmaning är batterierna för strömförsörjning som måste vara säkra, pålitliga och ha ett överkomligt pris. Lovande utveckling inom detta område inkluderar litiumceller, som erbjuder den högsta energitätheten. Dessa batterier används inte bara i elektriska bilar, det finns också en efterfrågan på lagring av vind- och solenergi, för medicinska undersökningar eller för att driva undervattensfordon. Fraunhofers forskare kommer att finnas på plats för att visa upp litiumbatterier avsedda för en mängd olika applikationer på Hannovermässan (Hall 13, monter C10).

Snabb uppladdning och urladdning
Om vinden blåser eller solen skiner ger förnybara energikällor ofta mer energi än konsumenterna behöver – så ett sätt måste hittas för att lagra överskottsenergin. Även litium-jonbatterier kan lagra massor av energi tar det samtidigt lång tid att ladda upp dem. Superkondensatorer, å andra sidan, kan snabbt lagra energi, men deras energitäthet är låg. Forskare vid Fraunhoferinstitutet för silikatforskning ISC vid Centrum för tillämpad elektrokemi i Würzburg arbetar nu med att utveckla ett batteri som kombinerar fördelarna med litium-jonbatterier och superkondensatorer. Beroende på kraven har forskarna för avsikt att producera ett energilagringsmedia som de kan ställas in för hög energitätheten i ett batteri eller för hög produktion i densitet hos en superkondensator. Till exempel: litium-jonbatterier som kan laddas många gånger snabbare än konventionella batterier.

Lång livslängd tack vare optimal kylning
Även bara några graders temperaturskillnad kan få en enorm skillnad. Detta förhållande gäller även för litiumbatterier. Bara tio graders Celsius minskar energilagringsmediets livstid till hälften. Så ett sinnrikt kylsystem är nödvändigt för elbilsapplikationer och forskare vid Fraunhoferinstitutet för Solar Energy Systems ISE i Freiburg uppges därför ha utvecklat en vält kylt batterisystem: Systemet består av tolv platta litiumceller med en vätskeförsedd kylplatta på varje sida om varje litiumcell. För att få ut bästa prestanda från kylplattorna har forskarna simulerat sin konstruktion och skräddarsytt geometrin för de enskilda battericellerna.

Effekten uppges vara imponerande: Kylplattorna ger i stort sett en homogen temperaturfördelning i batterimodulen och samtidigt minskar temperaturökningen till bara några få grader även under stora belastningar. Som en annan fördel har forskarna utvecklat ett kretskort till varje batterimodul som sänder data till systemets centrala styrenhet Systemet övervakar temperaturen, laddningen och försämringar av de individuella cellerna i batterimodulen. För detta ändamål gjordes algoritmer baserade på stokastiska partikelfilter utvecklades med hjälp av modellen-baserade processer.

Forskare vid Fraunhofer-institutet för kemisk teknologi IKT i Pfinztal förlita sig på luftkylning: De stapla individuella litiumceller ovanpå varandra, åtskilda av smala remsor av speciell polymer skum. En fläkt används för att cirkulera luften. Dessa remsor ger två fördelar: för en, de skapar kanaler i de mellanrum, genom vilka luft kan strömma och värme kan dras bort. Mot en annan, med cellerna som ligger direkt ovanpå de skumremsorna är konstruktionen mycket stabil. Kylning är optimal: cellerna är varmare än den luft som dras bort från dem. Kylmedelpumpar, vätskor kylvätska och värmeväxlare är överflödiga. Kylning element står för mindre än 20 procent av cellerna totala vikt – vilket gör att batteriet väl lämpad för lätta konstruktion i bilindustrin.

Flexibelt
Lithiumceller är oftast stela och orörliga. Men det finns en efterfrågan på böjliga celler i vissa tillämpningar, medicin är ett exempel. Forskare vid Fraunhoferinstitutet för Silicon Technology ISIT i Itzehoe har utvecklat sitt första flexibla litiumbatteri: Batteriet kan böjas och vridas. Men hur har forskarna utvecklat det här?

– Vi arbetar med mycket tunna elektroder. Dessutom innehåller katoden, separationen och anoden allt mellan en och tio procent plast som ett bondingsmaterial. Detta material limmar de individuella partiklarna till varandra och säkerställer formningen av de aktiva skikten. Forskarna använde en laminerande plast för att ta fram de flexibla cellerna. Om skikten värmdes under lätt tryck mot vidhäftade de mycket hårt till varandra och kommer inte att separera även om cellen är vriden eller böjd. En användning av cellen är för patienter vid sömnlaboratorium: eftersom de flesta människor kan sova bättre hemma än i ett laboratorium, patienterna ta mätutrustning med sig hem. Det böjliga litiumcellen ger en tillförsel av ström utan irriterande kablar, säger Dr Reinhard mortel, forskare vid ISIT,

Tryckresistent, även vid 600 bar
För att litiumbatterier ska kunna leverera el till undervattensfarkoster på stora djup, måste de tåla enorma påfrestningar. Forskare vid ISIT har utvecklat ett batteri som klarar tryck upp till 600 bar, 600 gånger normalt atmosfärstryck. Dessa celler har även en mycket hög energitäthet. Forskarna använde två metoder för att uppnå tryckhållfasthet: Cellerna de använde är spänningresistenta ”påsceller”. I dessa celler är anoden och katoden inslagna i en film där all luft har tagits ut, inte helt olikt vakuumförpackat kaffe.

Det andra tillvägagångssättet innefattar separatorn. Separatorn separerar anoden och katoden från varandra för att förhindra kortslutning. Vanligen är dessa separatorer tillverkade av ett tunt skikt av glasfiber som mekaniska krafter lätt kan förstöras och resultera i en kortslutning som kan tömma hela batteriet. Forskare har nu utvecklat en keramiskt förstärkt separator som erbjuder betydligt bättre säkerhet.

Förbättrad säkerhet för litiumceller
Säkerhet är ett viktigt kriterium när det gäller batterier. Med litiumbatterier är syftet att förhindra kortslutning. Kortslutningar sker om de två elektroderna kommer i kontakt med varandra. Separatorlagren är utformade för att hålla dem isär. Men om litium-jonerna kristallisera till dendriter – trädliknande kristallstrukturer av det slag som kan ses i snöflingor – kan dessa dendriter kan dessa genomborra separatorn. I framtiden kommer en ny elektrolyt förhindra kortslutning då den innehåller keramiska element. De gör det svårare för dendriter att tränga igenom separatorn. En annan fördel avseende säkerhet är att de keramiska strukturerna är flamsäkra, vilket gör det svårare att tända på elektrolyten. Omkring 80 procent av alla fall av skador kan förebyggas genom användning av ny elektrolyt som utvecklas av forskare vid ISC. Detta är särskilt viktigt för litiumbatterier med mycket hög energidensitet.

Forskare vid nyöppnade IT Batteri testcentret undersöker säkerheten hos vissa typer av batterier. Är elektrolyt och batterimaterial kompatibelt? Vad händer om elektrolyten utsätts för höga temperaturer eller andra svåra miljöförhållanden? Forskarna undersöker det interna tillståndet i cellens kemiska sammansättning och layout och hur de yttre förutsättningarna såsom omgivningstemperatur, påverkar batteriets kvalitet och batteritid, enligt ett pressmeddelande.

Filed under: Utländsk Teknik