Superbatteriet – dröm som dröjer

Batterier

Omställningen till förnybart kräver effektiv lagring av el. Många hoppas på ett superbatteri, men utvecklingen av tekniken går i snigelfart, skriver Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet.

Sverige ska bli ett fossilfritt samhälle till 2030. Det kräver förnybar elproduktion, fossilfria transporter och sätt att smart utnyttja olika former av energilagring som batterier. 

För storskalig lagring av energi­ är den helt dominerande teknologin idag pumpad vatten­kraft. Batterilagring står för en halv procent, men ökar snabbt i betydelse kopplad till stabilisering av nätet, solceller och vindkraft. 

Detta ses i allt fler av pilotanläggningar världen runt. Även om natrium-svavelbatterierna fortfarande är det vanligaste för storskalig lagring (batteriet arbetar vid 300 °C med smälta elektroder och en keramisk elektrolyt), så kommer nu litiumjonbatteriet (LIB) med full kraft. 

Batteriet har ungefär sju–åtta gånger högre energilagringsförmåga, både med avseende på volym och vikt, än blybatteriet som används som startbatterier i bilar. 

Litiumjonbatterier dominerar

Priset på LIBs har minskat snabbt de senaste åren, vilket förklarar att intresset för detta batteri bara ökar. LIBs dominerar idag elektronikmarknaden, vilket innebär mobiltelefoner, bärbara datorer, kameror, verktyg etc. Bilindustrin har under de senaste åren varit motorn för utveckling av bättre batterier med längre livslängd och säkrare kemier med hög volymetrisk kapacitet.

LIB är inte en enda kemi, utan en familj av kemier med olika möjligheter. Detta är en anledning till att det finns ett så stort fokus på forskning att hitta eller optimera LIB-material. LIB är unik i den meningen att en enda battericell har en cellpotential på nästan 4 V medan alla andra mogna laddningsbara batterier har cellpotentialer mellan 1,2–2V. 

Ökar mängden nickel

Vad är det då man vill förbättra hos LIBs? Ett batteri innehåller en negativ elektrod, en positiv elektrod och en elektrolyt som separerar de två elektroderna och skyddar för kortslutning. Det som gör LIBs så speciellt är att det är många olika elektrodmaterial som kan fungera i det. 

Ett LIB som är effektoptimerat ser inte ut som ett batteri som är energioptimerat. Trots många studier av LIB-material är det mängden av litium som kan lagras i värdstrukturen hos den positiva elektroden som är flaskhalsen för högre energitäthet. Därför har många olika positiva elektrodmaterial föreslagits som en ersättning eller modifikation av litium koboltoxid som är det katodmaterial som finns i mobiltelefoner. 

Den nuvarande trenden är att öka mängden nickel som tillsammans med små mängder kobolt och mangan (eller aluminium) bildar oxiden. Målet är att trycka potentialen på 3,7 V uppåt mot 4,5–4,7 V för att möjliggöra ett ännu kraftfullare batteri. 

Detta skapar nya problem att lösa: den reaktiva ytan på oxidpartiklarna måste stabiliseras, elektrolyten i batteriet måste vara stabil vid dessa höga potentialer och korrosion av metallen i katoden som leder till förgiftning av anodytan är några exempel.

Säkerheten ett problem

Batteriets säkerhet är också ett problem. Ett sätt att öka säkerheten är utveckla elektrolyten som i en kommersiell battericell består av ett organiskt lösningsmedel och ett salt samt många olika tillsatser (filmbildande medel, flamskyddsmedel, redox skyttel, etc). Elektrolytforskningens betydelse kommer öka på grund av behovet av att förbättra batteriets jonledningsförmåga, spänningsfönstrets stabilitet och säkerhetsegenskaper.

Den negativa elektroden, som oftast är grafit i kommersiella celler, är också ett område som attraherar forskning. Just nu tävlas det om att försöka integrera ökande mängder kiselpartiklar i grafiten. 

Kisel legerar med litium med en mycket högre energitäthet än ren grafit. Problemet är kiselelektroder lätt spricker under battericykling. Ett sätt att komma åt detta är att uppfinna nya bindemedelsmaterial som hjälper kiselpartiklarna att fästa bättre till grafiten, nya elektrolyter som kapslar in kiselpartiklarna i polymerlager, eller skapandet av helt nya oorganiska ytbeläggningar som ska förhindra att kiselpartiklarna får direktkontakt med elektrolyten.

Nya typer av batterier

Finns det något annat som kan bli bättre än LIBs? Kanske! Forskare studerar en hel drös av olika nya typer av uppladdningsbara batterier: natriumbatterier, litiumsvavelbatterier, litiumluftbatterier, natriumsvavel, magnesiumbatterier, aluminiumbatterier, organiska batterier, strukturella batterier. 

Många av dessa har långt kvar till en fungerande produkt och kanske aldrig når dit. Några andra, som till exempel ­natriumbatteriet, har god prognos att kunna bli det batteri som används för storskalig lagring medan det volymssynpunkt kraftfullare litiumbatteriet kommer att användas för transportsektorn. 

Då och då lanseras det ultimata superbatteriet i pressen. Batteriet som har mycket högre kapacitet och väldigt mycket längre livslängd än allt annat som finns. Var skeptisk – för batteriforskning går med en snigels hastighet. Det är små steg framåt som tas hela tiden. 

Sedan 1990 har litiumjonbatteriets kapacitet fördubblats. Det har kapacitet att förbättras mycket mer än så och alla nya spännande koncept som föreslås har mycket att leva upp till om de ska matcha den prestanda som de bästa batterierna har idag. Men än finns hoppet om att det ultimata batteriet ska komma som en nyhet där kapaciteten i batteriburken är hög utan att batteriet för den skull blir en bomb. 

Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet, leder forskargruppen Ångström Advanced Battery Center.