Forskning: Ny metod mäter rörelsen av litiumjoner i batterier

2020-07-23

Uppsalaforskare har utvecklat en metod som kan mäta koncentrationen och rörelsen av litiumjoner i tunnfilmsbatterier medan de används. Resultaten från studien kan komma att leda till batterier med bland annat högre kapacitet och hållbarhet framöver.

Metoden som används i experimenten kan beskrivas som en form av biljard på atomnivå. I studien har litiumjoner med höga energier på flera MeV skjutits på experimentella system av tunnfilmsbatterier. När litiumjonerna träffar på en annan litiumjon från provet, och endast då, kan de båda jonerna studsa i 90 graders vinkel i förhållande till varandra och detekteras samtidigt av två detektorer inom ett tidsintervall på nanosekundskala. Tack vare denna så kallade koincidensmätning med två detektorer, blir den annars svaga signalen från litium tydlig och försvinner inte i bakgrundssignalen orsakad av andra atomer från provet, vilket är vanligt vid konventionella mätningar då man endast använder sig av en detektor.

– Det speciella med studien är att man kan mäta litiumjonernas fördelning och rörelse i ett helt batteri medan den används, det vill säga utan att förstöra batteriet under mätningen, eller endast undersöka delar av det, säger Daniel Primetzhofer, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi.

Forskningen är viktig då metoden som testats i experimenten skulle kunna användas för utveckling av framförallt tunnfilmsbatterier. Tunnfilmsbatterier kan användas i flexibel elektronik, men också i medicinska implantat då man av säkerhetsskäl inte vill ha en flytande elektrolyt som i konventionella litiumjonbatterier.

Daniel Primetzhofer har tillsammans med sina kollegor Vairavel Mathayan och Marcos Moro från Uppsala universitet och forskare i Japan nu kunnat visa på att metoden som de använt faktiskt fungerar. Nästa steg är att använda sig av metoden för att utveckla tillämpningen inom batteriforskningen ytterligare. Till exempel kan man undersöka vilka sammansättningar eller strukturer på material som är gynnsamma för att få effektivare litiumbatterier med så hög litiumtransport som möjligt. Även när och under vilka förutsättningar litiumtransporten avtar och batterierna tappar sin effektivitet och inte längre är användbar kan undersökas. Men resultaten kan också användas inom annan forskning, då rörlighet av litium eller andra lätta grundämnen i materialet är av stor betydelse, till exempel inom fusionsforskning då en heliumstråle skulle kunna användas för att mäta väldigt små mängder av tritium.  

Artikelreferens

Mathayan V. et al. In-operando observation of Li depth distribution and Li transport in thin film Li ion batteries, Applied Physical Letters 117, 023902 (2020), DOI: https://doi.org/10.1063/5.0014761

Camilla Thulin