Litium-ionbatteri

Fremtidens batterier

Selv om utvikling av batteriteknologi både er vanskelig og tidkrevende, forskes det stadig på hvordan vi kan gjøre batterier mer effektive og miljøvennlige. Visste du for eksempel at batterier i fremtiden kan inneholde alger?

Les mer om batterier

Både forskere og teknologieksperter jobber stadig med å finne gode løsninger på hvordan oppladbare litium-ion batterier kan ha lengre levetid og være sikrere. Før vi forteller om eksempler på denne forskningen, går vi noen steg tilbake og inn i batteri-kjemiens verden. For hva består egentlig et batteri av?

Litium-ion batterienes innhold

De fleste bærbare, håndholdte og batteridrevne elektronikkvarer som mobiltelefoner og verktøy, har oppladbare batterier av typen litium-ion. Kjært barn har mange navn: Disse batteriene går også under navnene Li-ion, Litium polymer eller bare Li-po. Batteriene er satt sammen av en anode (negativ elektrode), en katode (positiv elektrode), en separator og en elektrolytt. Under utlading og opplading, forflytter litium-ionene seg mellom anoden og katoden gjennom separatoren og elektrolytten som skiller de to elektrodene.

Litium-ionbatteriFiguren viser et litium-ion batteri som lades opp. Ved oppladning overføres litium-ion fra katoden til anoden gjennom elektrolytten og separatoren. Ved utladning går prosessen i motsatt retning. Illustrasjon: UngEnergi

Litium-ion batterier anses som å være den letteste og mest effektive batteriløsningen vi har, men på grunn av batteriets begrensede energitetthet, er det grenser for hvor mye energi et slikt batteri kan ta opp. Faren for at det oppstår brann i slike batterier, er også et risikoelement. Dersom noe går galt med separatoren og elektrodene kommer i kontakt med hverandre, varmes nemlig batteriet opp. Flytende elektrolytter er svært brannfarlige, noe som ofte er grunnen til at disse batteriene kan ta fyr og eksplodere.

Blant løsningene som forskes på i dag, finner vi alternative materialer som både øker batterienes effektivitet og termiske stabilitet. En av disse løsningene dreier seg om å bruke nanopartikler av silisium i anoden i stedet for karbongrafitt, noe som gir høyere batterikapasitet. Å bruke faste elektrolytter i stedet for flytende er en annen løsning, som hovedsakelig resulterer i tryggere batterier. Som en erstatning for noen av bestanddelene i litium-ion batterier går en tredje løsning ut på å produsere batterier med nedbrytbart og miljøvennlig materiale – fra alger.

1. Silisium-anoder i Norge

Normalt brukes grafitt som anodemateriale i litium-ion batterier, men mikroskopiske silisiumpartikler har nå kommet på banen som en erstatning for grafitt for å øke batteriets kapasitet.

Ved batteriforskningsmiljøet hos Institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller, har forskere her utviklet nettopp slike silisiumpartikler. Denne typen anode har mulighet til å ta opp mye mer litium-ioner ved oppladning av batteriet, sammenlignet med en anode av grafitt. Resultatet blir, kort fortalt, et batteri med mer energi.

Ulempen med silisium-anoder er at de øker i volum når batteriet lades opp, noe som kan føre til at anoden sprekker og blir inaktiv. IFE har løst denne utfordringen ved å legge til rette for volumøkningen ved bruk av et fleksibelt nettverk inne i partiklene. Per i dag arbeides det med å patentere og kommersialisere denne teknologien.

2. Fra flytende til fast materiale: Solid state batteries

Den direkte oversettelsen av solid state batteries, er «faststoff-batterier». I dette ligger det at batterienes vanlige, flytende materiale har blitt erstattet med faste bestanddeler. Det er batteriets elektroder eller de flytende elektrolyttene – eller begge deler – som her har blitt erstattet med glass, keramikk eller polymerer.

De seneste årene har slike batterier fått stor oppmerksomhet på grunn av brukspotensialet i elektriske kjøretøy. Likevel er det ikke sannsynlig at denne batteritypen vil være synlig og tilgjengelig på markedet i nærmeste fremtid. Den største utfordringen er dårlig kontakt mellom elektrode og elektrolytt, slik at det blir mer utfordrende for litium-ionene å forflytte seg mellom anoden og katoden. Dette gir bla. negativ innvirkning på batteriets oppladings- og utladingshastighet, inntil forskerne finner en tilstrekkelig god løsning på denne problematikken.

3. Alger i anodematerialet i Trondheim

Ettersom vi behøver mer bærekraftige og miljøvennlige batterier, får biologisk materiale stadig større fokus i forskning på batteriteknologi. På NTNU i Trondheim, forskes det i dag på alger.

Det er forskere fra Institutt for Materialteknologi på NTNU som har funnet en mulig løsning for å forbedre anoden i litium-ion batterier. Ved hjelp av alger i anodematerialet, får batteriet høyere kapasitet og større ytelse. Ved å bruke et fornybart råmateriale, vil det ikke minst være mer miljøvennlig å produsere slike batterier.

Algene har nemlig en naturlig nano-struktur som forskerne utnytter i batterielektrodene. I tillegg brukes det et bindemiddel basert på alginat (et stoff utvunnet fra tang og tare) i elektroden, som gjør at forskerne kan bruke vann som løsemiddel isteden for giftige organiske stoffer. Batteriet vil dermed inneholde langt mindre farlig og miljøskadelige stoffer, og ha et mindre CO2-fotavtrykk enn hva som er tilfelle for dagens anodemateriale.

Kilder:

* Wired

* NTNU Discovery

* IFE