Anodfria batterier kan ge längre räckvidd för framtidens elflyg

Anodfria batterier kan ge mer energi utan att batteriet blir större eller tyngre. Leiting Zhang ska utveckla en teknik som kan ge längre räckvidd, bättre lagring av förnybar el och nya möjligheter för eldrivna farkoster i luften.

Batterier har redan flyttat stora delar av vardagen från fossila bränslen till el. Ändå sätter dagens batterier gränser för räckvidd, flygtid och lagring av sol och vind. Med 15 miljoner kronor från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, ska Leiting Zhang vid Uppsala universitet ta nästa steg mot anodfria batterier som kan lagra mer energi och uppfylla höga säkerhetskrav.
I dagens litiumjonbatterier finns grafit på den negativa elektroden. I ett anodfritt batteri tas grafitdelen bort. Det ger plats för mer energi i samma storlek och kan samtidigt göra batteriet lättare.
– I grunden handlar det om att få plats med mer energi utan att batteriet blir större eller tyngre. Det kan ge längre räckvidd för elfordon, längre driftstid i drönare och mer uthållig energilagring. För samhället kan det bidra till att fler transporter elektrifieras och att el från sol och vind kan användas bättre, säger Leiting Zhang.

Mer energi i luften
Behovet syns särskilt tydligt i luften. En bil eller buss kan bära ett tyngre batteri och ändå fungera. För drönare, elflyg och nya luftburna transporter blir varje kilo en begränsning. Därför är högre energidensitet centralt.
– Flygande farkoster ställer andra krav än fordon på marken. Batteriet ska inte bara räcka till själva färden, utan också ge marginal för en säker landning. Om batterier kan lagra mer energi per kilo kan flygtiden öka. Det kan börja med mindre drönare och på längre sikt bidra till elflyg och urban luftmobilitet, förklarar Leiting Zhang.

En enklare tillverkning
Anodfria batterier kan även förenkla tillverkningen. När grafiten tas bort behövs färre tillverkningssteg, vilket kan minska energianvändningen i produktionen.
– En viktig fördel är att vi inte behöver bygga allt från början. Om en ny batterikemi ligger nära dagens produktion blir vägen mot praktisk användning mer realistisk. I ett anodfritt batteri kan steg som blandning, beläggning och torkning av grafit tas bort. Det kan minska både kostnaderna och energianvändningen i tillverkningen, säger Leiting Zhang.

Vägen ut ur labbet
För att anodfria batterier ska kunna bli användbara utanför labbet måste livslängden förbättras. Dagens litiumjonbatterier har en laddningseffektivitet på omkring 99,97 procent, vilket betyder att nästan all laddning som förs in kan tas ut igen. För anodfria batterier ligger motsvarande nivå i dag betydligt lägre, ofta under 95 procent.
– Den stora utmaningen är att få batteriet att behålla sin kapacitet över tid. Vi behöver komma nära den effektivitet som dagens batterier har, annars håller tekniken inte i praktiken. Ett batteri kan ha hög energi i början, men om kapaciteten försvinner efter för få laddningar spelar det mindre roll. Forskningen handlar om att göra processen stabil nog för många cykler, konstaterar Leiting Zhang.

Tvärvetenskapligt samarbete
För att snabbare hitta lösningar bygger forskargruppen en automatiserad plattform för batteritillverkning och testning. Robotarmar kan genomföra försök på ett jämförbart sätt, medan maskininlärning hjälper forskarna att välja kombinationer som är värda att testa vidare.
– Batteriforskning kräver fler perspektiv än kemi. Vi behöver materialvetenskap, automation och datavetenskap för att förstå, testa och förbättra nya lösningar. Poängen är att kombinera kunskap som annars ofta finns i olika miljöer. Då kan forskningen röra sig snabbare, säger Leiting Zhang.
Projektet handlar inte bara om en ny batterityp, utan också om att utveckla arbetssätt som kan användas i fler delar av energiområdet.
– Energi är en viktig grund för hela samhällets utveckling. Om vi kan lagra el bättre kan vi använda förnybar energi när den behövs, inte bara när den produceras. Lyckas vi med anodfria batterier kan de första effekterna märkas som längre driftstid och ökad räckvidd. På sikt handlar nyttan om ett energisystem där mer förnybar el kan tas till vara, och om transporter som i större utsträckning kan elektrifieras, avslutar Leiting Zhang.