Det genopladelige batteri erobrer fremtiden

Af Palle Vibe, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Der er genopladelige batterier overalt omkring os – i underholdningselektronik, værktøj, biler, tog, færger og nu også eksperimentelle fly. Det er gået stærkt de sidste 30 år. Men udviklingen går videre. Der er nemlig milliarder at hente for de firmaer, der først markedsfører en ny og virkelig revolutionerende genopladelig batteritype.

Men kravene til størrelse, vægt og udformning ud over kapacitet og energitæthed er store, ligesom batterierne skal være sikre og hverken afgive giftige stoffer, forurene naturen eller bryde i brand.

Lang levetid og kort ladetid er også et must, ligesom batteriet skal kunne tåle adskillige ladegange (afladninger og opladninger) og kunne genbruges billigt og uden de store vanskeligheder til gavn for miljøet og økonomien.

Litium-ion er kongen endnu

Det over 30 år gamle litium-ion-batteri er stadig det mest udbredte. Batteritypen blev udviklet op gennem 1980’erne af en forskningsgruppe fra University of Texas under ledelse af fysikeren John Goodenough og markedsført af Sony første gang i 1991.

Batteriet udmærker sig blandt andet ved at kunne afgive sin fulde spænding, til det næsten er helt afladet. Det har god energitæthed, lav vægt og rimelig levetid. Desuden er prisen faldet med 90 procent siden 2010. Litium-ion er stadig kongen.

Der er også fremtid i denne teknologi. Men kun hvis industrien og forskere ihærdigt fortsætter bestræbelserne på at forbedre litium-ion-batteriets egenskaber. Ellers står alternativer parat i kulissen. Men hvorfor er litium-ion-batteriet så succesrigt? Det hænger sammen med en teknologi, som bare fungerer.

”Batterismør” i form af en cremeagtig, vandopløselig polymer kan give solid state-batterier endnu bedre ydelse. På den måde har forskerne kunnet øge strømtætheden med op til hele 10 gange.

Kort fortalt forvandler et litium-ion-batteri kemisk energi til elektrisk energi og virker ved at skabe en ionvandring mellem batteriets to elektroder, der i et litium-ion-batteri består henholdsvis af kulstof som eksempelvis grafit og metaloxider som for eksempel litiumkobolt­oxid.
Ion-vandringen sker gennem en flydende eller geléagtig elektrolyt.

For at batteriet ikke skal ”kortslutte”, er der mellem elektroderne indsat en såkaldt ”separator” i form af en tynd gennemtrængelig membran. Levetiden for et litium-ion-batteri er normalt omkring 500 ladegange, men kan sagtens være længere afhængig af opbygning og kvalitet af batteriet med et langsomt voksende fald i kapacitet undervejs.

Total afladning kan slide en del på et litium-ion-batteri, og en del litium-ion-batterier (ikke mindst til elbiler) er derfor udstyret med elektroniske begrænsere, der forhindrer, at de bliver afladet under en vis grænse. Denne type batterier vil som oftest have en levetid på 1000 ladegange (typisk otte år).

Batterifirmaet QuantumScape har udviklet et solid state-litium-metal-batteri med stor energi­tæthed og kapacitet, som måske kan være i produktion i 2023.

Ældes af for me€get varme

Normal driftstemperatur for litium-ion-batterier er 10-30 grader, men desværre sker der en almindelig ældning af batteriet, der nedsætter kapaciteten, navnlig hvis arbejdstemperaturen er højere end det. Over 50 grader ældes batteriet fire gange så hurtigt som ved 20 grader.

Desuden bryder et litium-ion-batteri sig trods normalt en del indbygget elektronisk beskyttelse ikke om alt for hurtig afladning eller alt for høj opladespænding, da det kan føre til overophedning og i værste tilfælde eksplosion og brand. Det var det, som skete for en Galaxy Note 7-mobiltelefon i 2016.

Et litium-ion-batteri tåler klatladning (fra 50 procent), men det bør ikke blive forsøgt opladet ved temperaturer under ca. 15 grader. Derimod kan det udmærket tåle at blive lagret relativt lang tid ved lav temperatur (10 grader) uden at miste effekt. Skal du ikke bruge et litium-ion-batteri i længere tid, bør du derfor opbevare det køligt og også helst halvt opladet.

Det er amerikaneren John Goodenough, der tilskrives æren af at have opfundet litium-ion-batteriet.

Opbevar det dog ikke ubeskyttet i køleskab eller fryser, hvor der altid vil være fugt, og batteriet skal altid varmes op til normal rumtemperatur igen inden genopladning og brug. Der findes mange forsøg på at komme uden om de fejl eller udfordringer, litium-ion-teknologien – trods sin succes – stadig har. For eksempel kan overophedning imødegås ved at gøre elektrolytten fast eller næsten fast og eksempelvis fremstille den af keramisk materiale eller glas (solid state).

Batterifirmaet QuantumScape har udviklet et solid state-litium-metal-batteri, der sikrer større tæthed og højere kapacitet foruden en mere kompakt udformning. Batteriet kan angiveligt oplades til 80 procent af sin kapacitet på 15 minutter og bevare sin kapacitet efter hele 800 ladegange. Producenten forventer at kunne have en produktion klar i 2023.

Aluminium-ion giver et hav af fordele – men ...

Et aluminium-ion-batteri kan bruges mange steder og kan teoretisk levere en fuld opladning af en mobiltelefon på under 5 minutter.

Australske Graphene Manufacturing Group (GMG) har sammen med University of Queensland udviklet en prototype på et aluminium-ion-batteri, der kan oplades 10 gange hurtigere end konventionelle litium-ion-batterier uden risiko for overophedning og tilmed tåle over 2000 genopladninger uden problemer.

Men det er også batteriets akilleshæl. Lysnettet har kapacitet nok til at oplade mindre enheder som mobiler næsten lige så hurtigt, de kan tåle det, men skulle batteriet anvendes til elbiler, ville opladespændingen blive for voldsom. For nuværende kan Teslas Superchargers oplade med 250 kW og overføre i alt 60 kWh på 15 minutter, men øges denne hastighed med blot 10 gange, vil det kræve 2,5 megawatt strøm gennem opladekablet. Til sammenligning yder et typisk mindre kraftværk omkring 500-700 megawatt.

Håndlotion til ionerne

Men selv med en fast keramisk elektrolyt, der både er miljøvenlig og brandsikker, er der stadig problemer. Materialet kan nemlig blive kemisk ustabilt, hvilket gør det sværere og trægere for ionerne at passere igennem.

Videnskabsfolk fra det svenske Chalmers Universitet og det kinesiske Xi’an Jiaotong Universitet har forsøgt med en vandopløselig polymer af keramiske nanopartikler og salt i flydende tilstand – kendt fra hudcreme.

Smurt ud som et ”overgangslag” mellem den negative elektrode og elektrolytten har forskerne kunnet øge strømtætheden 10 gange (strømtætheden er den mængde af ladning pr. tidsenhed, der flyder gennem et givet areal).

En motorvej for ioner

Den franske virksomhed Nawa har forsøgt at lette ionernes bevægelser gennem elektrodematerialet, der i mikroskop ligner et rent partikelvirvar. Nawa har udviklet en elektrode, der består af milliarder af lodrette kulstofnanorør, der skaber en ”motorvej” for ionerne og i praksis betyder, at batteriet kan oplades 10 gange hurtigere og op til 80 procent på bare fem minutter.

Produktionen er både hurtig og billig, og de første batterier af denne type kan være på markedet allerede fra 2022. De nuværende litium-ion-batterier får kort sagt masser af konkurrence.

Sandwich-batteri oplader elbil på 10 minutter

Prototypen på et nyt ”sandwich-batteri” har 82 procent af sin kapacitet efter 10.000 ladegange og kan oplades på 10 minutter.

Et forskerhold fra Harvard University har udviklet et elbilbatteri med en levetid på tusinder af genopladninger. Batteriet er opbygget som en ”baconsandwich” af tre lag. Det første og tredje lag kan påvirkes af dendrit-dannelse, men fungerer til gengæld godt med litium. Midterlaget standser dendritter, men er ikke helt stabilt over for elektrodemetallet.

Men denne opbygning er i stand til at kontrollere og modstå dendritter og kan desuden selv hele huller efter dem. Prototypen beholdt 82 procent af sin kapacitet efter 10.000 ladegange og tåler spænding høj nok til at genoplade batteriet på 10 minutter. I praksis har der dog vist sig problemer ved masseproduktion, men forskerne er optimistiske.

Godt gang i eksperimenter med materialer over hele kloden

Skulle der mon findes et særligt stof, som kan gøre batterierne en smule mere effektive?

Der eksperimenteres i disse år meget med materialer. For eksempel er grafit som elektrodemateriale blevet forsøgt erstattet med kulstoffet grafen, der, selvom det har en tykkelse på blot ét enkelt kulatom, har stor styrke og fænomenal ledningsevne. Men det er dyrt, og prisen er i USA 100 dollar pr. gram.

Forskere har også fremstillet elektroder af rent silicium, hvorved energitætheden kan mangedobles, fordi silicium kan optage fire gange så mange ioner som grafit. Problemet er bare, at der danner sig trælignende udvækster (dendritter) på silicium-materialets overflade, som derved svulmer op og måske revner efterfulgt af drastisk nedsat ydeevne.

Også litium har sine begrænsninger som elektrodemateriale. Det er et relativt sjældent mineral, der tilmed er besværligt og miljøskadeligt at udvinde, ligesom det er begrænsende, at 90 procent af verdensproduktionen foregår i Kina. Forskere fra Korea Institute of Science and Technology (KIST) har forsøgt sig med kulstofbade, der skulle forhindre siliciummaterialet i at revne.

Andre forskere har prøvet at tilføre ekstra litium med litiumpulver og forsøgt andre krumspring, men udgifterne og kompleksiteten har hidtil gjort resultaterne for dyre og upraktiske. Litium har været forsøgt erstattet af natriumklorid (altså almindeligt køkkensalt, der er billigt og findes i store og lettilgængelige mængder), men også her skaber dendritter problemer.

Verden over som her ved Washington State University eksperimenterer forskere med nye batteri­materialer. Man prøver sig frem med for eksempel grafen og silicium.

Metal-mix-eksperimenter

På den baggrund er det klart, at batteri-elektroder har været forsøgt fremstillet af mange materialer. NiCd-batterier (nikkel-cadmium) var tidligere en meget udbredt batteritype, men bruges i dag mest til energikrævende hobbyredskaber mv. Også NiMH (nikkel-metalhydrid) og Ni-Fe (nikkel-jern) har været brugt, om end mest i industrien. Man har også eksperimenteret med metallegeringer som LiFePO4 (litium-jern-fosfat), NMC (nikkel-mangan-kobolt) samt NCA (nikkel-kobolt-aluminium).

Men da kobolt er sjældent, dyrt og miljøskadeligt, og tillige ofte udgør over halvdelen af hele batteriets fremstillingspris, har forskere forsøgt sig med litium-svovl-batterier. Svovl kan indeholde mere energi end kobolt, men til gengæld kan et litium-svovl-batteri ikke klare så mange op- og afladninger.

Et NFA-batteri (nikkel-jern-aluminium) har også været afprøvet. Både jern og aluminium er billige, holdbare og miljøvenlige metaller, og batteriets ydelse er også tilfredsstillende. Men det er nødvendigt med mere udviklingsarbejde.

6 bud på fremtidens batterier

1 Nanokulstofrør gør batteriet selvhelende

Meget af det besværlige ved batterier er deres vægt og stivhed. Et forskerhold fra Fudan University i Kina og Samsung har skabt et blødt litium-ion-batteri, der kan tåle brud og reparere sig selv uden at afgive uheldige stoffer eller blive overophedet. Elektroderne er opbygget af parallelle nanokulstofrør på et substrat af polymerer i skiftende lag, og elektrolytten er en giftfri gel med litiumpartikler, der er indlagt mellem elektrodelagene og også fungerer som separator.

Principtegning på et bøjeligt og genopladeligt batteri.

Batteriet kan tåle at blive vredet og snoet og kan heles alene ved at presse brudkanterne sammen et par sekunder, så polymer og nano­kulstofpartikler binder sig til hinanden igen, og det kan angiveligt gentages utallige gange. Batteriet vil formentlig være selvskrevet til kommende wearable-enheder og intelligente tekstiler.

2 Masseløs energilagringsenhed

Svenske videnskabsfolk ved Chalmers Universitet har udviklet et batteri, der i praksis kan udgøre del af det produkt, det strømforsyner, og dermed spare betydelig vægt og åbne for et temmelig frit design. Batteriet består af en negativ elektrode af kulfiber og en positiv elektrode af aluminiumfolie belagt med litium-jernfosfat.

Et batteri, der ud over at afgive strøm også er en del af selve produktet, åbner interessante muligheder for design og udformning af ikke mindst eldrevne transportmidler.

De to elektroder er adskilt af et tyndt lag fiberglas, der fungerer som elektrolyt og desuden fordeler alle mekaniske påvirkninger over hele batteriets overfladeareal. Forskerne kalder nyskabelsen en ”masseløs” energilagringsenhed, men foreløbig udviser prototypen meget lav energitæthed. Det burde dog blive opvejet af den langt lavere vægt foruden det faktum, at den mekaniske stabilitet er fuldt tilstrækkelig til, at batteriet kan indgå som del af en bærende konstruktion.

3 Batteriet kan 3D-printes

Et hold fra UC San Diego i Californien har udviklet et fleksibelt batteri, der kan 3D-printes lag på lag oven på en kemisk stabil polymer-film og hævdes at have 10 gange større energitæthed end et konventionelt litium-ion-batteri, ligesom holdbarhed og levetid skal være konkurrencedygtig.

Det nyudviklede 3D-printede batteri har mange fordele, men udprintningen skal delvis foregå i vakuum.

Det kan som de svenske forskeres ”masseløse” batteri (punkt 2) være del af det produkt, det skal strømforsyne, men det er dog ikke solidt nok til at indgå i den bærende konstruktion. Desuden skal udprintningen delvis foretages i vakuum.

4 Et helt hus af batterier

Et betonbatteri er et spændende bud på et fremtidsbatteri. Det er igen svenske forskere fra Chalmers Universitet, der står bag batteriet. Forskerne har gjort beton ledende ved at mixe den med små mængder kulfiber, hvilket giver materialet ekstra styrke. Derpå har forskerne indlagt to elektroder i form af kulfibergitre pålagt henholdsvis et lag af jern og et lag af nikkel.

To store gitterelektroder indstøbt i beton kan gøre hele huse til store batterier.

Energitætheden er blevet målt til 7 watt-timer/m2, hvilket er 10 gange bedre end alle tidligere forsøg på at fremstille betonbatterier. Det er dog lavt i forhold til almindelige batterier, men da batteriet kan udgøre en hel bygning, bør der kunne produceres energi nok. Forskerne forestiller sig også rene energilagringsblokke opladet af solpaneler.

5 Batteristrøm ud af den rene luft

Her er en batteriteknologi, der er baseret på litium og luft og særligt er tiltænkt elbiler. Et litium-luft-batteri vil teoretisk have samme energiindhold som benzin, men vil kun veje og koste en femtedel af et konventionelt litium-ion-batteri, fordi luften tages ind udefra. Luft indeholder imidlertid også fugt, kvælstof og kuldioxid, der efterhånden nedbryder batteriet.

Ydelsen for et litium-luft-batteri i sammenligning med andre batterityper som bl.a. litium-ion.

Forskere fra University of Cambridge har udviklet et litium-luft-batteri, der bruger ren ilt og er 50 procent mindre end et typisk litium-ion-batteri. Prototypen kan tåle op til 1000 genopladninger eller mere, og et batteri på blot 25 kilo vil kunne give en elektrisk bil en aktionsradius på 1500 km. Der er ansøgt om patent på systemet og påbegyndt forhandlinger med potentielle batteriproducenter.

6 A-kraft i batteriform

Allerede i de tidlige 1950’ere eksperimenterede atomforskerne med at hente elektrisk energi fra kernekraft. Teorien bag er velkendt, men moderne teknologi har skabt nye muligheder.

Det amerikanske batterifirma Nano Diamond Battery (NDB) har udviklet en prototype med den radioaktive isotop kulstof-14, der kan udvindes af grafit, som energikilde. Efterhånden som kulstoffet forfalder, afgiver det anti-neutrinoer og elektroner og bliver omdannet til harmløst kvælstof.

Batteriet har ingen bevægelige dele og kræver ingen vedligeholdelse. Det genbruger selv sit radioaktive affald og skal aldrig genoplades. Afskærmningen har forskerne klaret med et skjold af kunstig diamant, der kan fungere som halvleder og leder de frie elektroner (den elektriske strøm) ud af batteriet. Det garanteres, at ingen radioaktiv stråling slipper ud, uanset hvor hårdhændet batteriet behandles.

Sådan et A-batteri er dyrt, men har en ekstremt lang levetid (nogle mener tusinder af år, før alt kulstofmaterialet er henfaldet) og høj energitæthed. Det vil kunne strømforsyne rumfartøjer, afsides forskningsstationer og undervandssystemer, men også elbiler. Kritikere mener dog, at ydelsen vil være lav, og at sikkerhedsrisikoen stadig vil være stor.

Dette meget lille kernekraftværk kan monteres direkte på en printplade.