Et batteri består av tre hovedkomponenter: To elektroder (katode og anode) og en væske (elektrolytt) som det transporteres positivt ladde litium-ioner i – fram og tilbake mellom elektrodene.
Når batteriet brukes, transporteres litium-ionene fra anoden til katoden via elektrolytten mens elektroner går i en ytre krets og gir den ønskede strømmen.
Under opplading skjer det motsatte, men da må litium-ionene og elektronene «dyttes» fra katode til anode ved at man påfører en ytre spenning.
Batterier er en viktig del av det grønne skiftet, ikke minst innen transport. Derfor jobber forskere på spreng for å lage bedre batterier. De må bli mer effektive, mindre, kjappere å lade, og de må tåle både høye og lave temperaturer.
For å klare det må hver enkelt del i batteriene være optimale.
Atomnivået gir svar på hvorfor
Per Erik Vullum viser et elektronmikroskopi-bilde hvor vi ser enkeltatomene i ett av de små kornene i batteri-elektroden. (Foto: Per Henning/NTNU)
Forskere over hele verden, også ved NTNU og Sintef, jobber intenst for å komme viktige skritt videre i batteriutviklingen. For å få til dette må vi vite mer enn hvilke elementer som er de beste, vi må også vite hvorfor de er det, forteller Sintef-forsker Per Erik Vullum.
– Da må vi ned på atomnivå, og elektronmikroskop blir det viktigste hjelpemiddelet.
NTNU, Sintef og Universitetet i Oslo er en del av et nettverk som deler på supermikroskopressurser av svært god kvalitet. Vullum bistår forskere med sin spesialkompetanse i å operere elektronmikroskopene.
De hvite prikkene er atomkolonner, og man ser forskjell på de ulike atomene ved at tunge atomer gir sterkere kontrast enn de lettere atomene. På bildet til høyre dras en lett kontorstol over gulvet i naborommet til elektronmikroskopet mens bildet tas. Det lille, varierende magnetfeltet fra stolen i naborommet er nok til å gi store forstyrrelser i bildet, og viser hvor sensitivt et av verdens beste elektronmikroskop er med hensyn på at det må lokaliseres i stabile omgivelser. (Foto: Per Henning/NTNU)
Forskjellen på et vanlig lysmikroskop og hva som mer presist kalles transmisjonselektronmikroskop (TEM) er stor eller rettere – ganske så liten.
For et vanlig lysmikroskop er det mulig å forstørre 2000 ganger. Med et elektronmikroskop kan man forstørre ytterligere 2000 ganger, altså fire millioner ganger.
Hvis en håndball hadde blitt forstørret like mye som vi oppnår med et elektronmikroskop, ville håndballen vært like stor som jordkloden.
Da kan man se enkeltatomer.
Med elektronmikroskop har også batteriforskerne en annen viktig egenskap: De kan se hva slags typer atomer det er snakk om, altså hvilket materiale det er.
Er utsnittet forskerne ser i mikroskopet for eksempel ordnet i mønstre, eller er de mer tilfeldig fordelt? Organiseringen av atomene i batteriets komponenter kan nemlig endre seg når batteriet brukes. Med elektronmikroskopet kan forskerne studere batterienes oppførsel og materiale, også under bruk.
Annonse
Flere av komponentene i batterier er sensitive for luft og vanndamp. Batterier må derfor lages i en atmosfære hvor de ikke kan reagere med oksygen eller fuktighet i lufta. Slike betingelser får man i en hanskeboks hvor atmosfæren inne i hanskeboksen består av den ikke-reaktive edelgassen argon. (Foto: Per Henning/NTNU)
Førsteamanuensis Fride Vullum-Bruer ved NTNUs Institutt for materialteknologi og hennes team jobber med å utvikle neste generasjons batterier.
De bruker elektronmikroskop til å finne ut hvorfor kapasiteten endrer seg i ulike materialsammensetninger i batterienes katode.
De lager batteriet, tester det og måler effekten etter opp- og utlading.
Med elektronmikroskop kan de studere materialene før og etter testingen: Hvor er atomene og hvilke forbindelser danner de før testing? Hvor er de ulike atomene og hvilke konstellasjoner danner de når testingen er ferdig? Og ikke minst – hva skjer med atomene når batteriets effekt begynte å avta?
Kunnskapen forskerne får, brukes til å justere for neste testing.
– For vår forskning på anode- og katodematerialer er elektronmikroskop helt essensielt, sier Fride Vullum-Bruer.
– Det hjelper oss ikke bare å finne optimale sammensetninger på materialene, men vi bruker også disse analysene til å skreddersy fasong og størrelse, også kalt morfologi, på partiklene. Dermed kan batteriets egenskaper optimaliseres. Elektronmikroskopet hjelper oss i tillegg å forstå hvorfor batteriet ikke varer så lenge som vi skulle ønske, som gir oss bedre forutsetninger for å kunne gjøre noe med det.
