På en måte begynte det med et avkuttet froskelår som rykket til.

Den italienske legen og professoren Luigi Galvani eksperimenterte på slutten av 1800-tallet med metaller og froskens indre elektrolytter for å danne en kjemisk reaksjon som skapte elektrisitet. Dette fikk froskens muskler til å trekke seg sammen.

Uten å vite det, hadde Galvani skapt et slags primitivt froskebatteri.

Noen år senere inspirerte eksperimentene Galvanis fysikerkollega Alessandro Volta til å eksperimentere med ulike metaller og væsker. Volta oppdaget at han ved å koble dem sammen kunne skape en konstant strøm. Han oppfant det som er kjent som verdens første elektriske batteri, den såkalte Volta-søylen.

Men hva skjedde etter det?

Det vil Tue, en av Videnskab.dks lesere, gjerne vite. Han har stilt spørsmålet «hvordan har batterier utviklet seg over tid?»

Poul Norby, professor ved Institutt for energikonvertering og -lagring ved DTU Energi i Danmark, er ekspert på dette.

Hva er et batteri?

Batterier finnes overalt: i datamaskiner, mobiltelefoner, biler, sykler, fjernkontroller ...

Likevel har ikke grunnprinsippene i batteriet endret seg så mye, forklarer Nordby.

Et batteri består av en katode (+) og en anode (-) i hver ende og en eller annen form for elektrolytt, enten fast eller flytende, som binder dem sammen. Elektrolytten transporterer de positive ionene fra anoden til katoden, og i prosessen frigjøres kjemisk energi i form av elektrisitet til en ekstern krets.

Hvis det er et engangsbatteri, går anoden etter hvert tom for strøm, og batteriet går tomt. Hvis batteriet er oppladbart, kan strøm fra en lader reversere kretsen, slik at elektronene som nå befinner seg i katoden, sendes tilbake til anoden. Og så starter kretsløpet på nytt (se illustrasjon).

Første skritt i utviklingen av batteriet

Hvilke andre milepæler har det vært i utviklingen av batteriet?

– Noe av det viktigste var blybatteriet, som ble introdusert i 1859. Det var oppladbart og ble en stor suksess, sier Norby.

– Det var holdbart og kunne levere mye strøm.

Nå er det over 150 år gammelt, men vi bruker det fortsatt.

I hagetraktorer, startbatterier til biler og nødstrømsanlegg, for eksempel. Selvsagt i en forbedret versjon, men prinsippet er det samme, forklarer Norby.

Men blybatteriet scorer ikke så høyt på holdbarhet eller energitetthet, altså hvor mye energi batteriet kan lagre per kilo eller liter. Og bly er dårlig for miljøet.

Derfor fortsatte forskerne arbeidet med å finne et enda bedre batteri.

Fryktelig giftig ingrediens

– Det neste store skrittet blir sannsynligvis nikkel-kadmium-batteriet, som var tilgjengelig på 1960-tallet. Men dessverre inneholder det kadmium, som er fryktelig giftig. Og på 1990-tallet kom nikkel-metall-hydrid-batteriene. Det er disse to teknologiene som begynte å dominere i oppladbare enheter av ulike slag.

De slo blybatteriet når det gjaldt energitetthet, men slet med å holde på energien og ladet raskt ut. Selv om begge typene har tapt terreng, finnes de fortsatt i dag.

I 1991 ble en ny type batteri lansert kommersielt. Det feide etter hvert de andre helt av bordet: litium-ion-batteriet.

– Det har en enda høyere energitetthet og kan designes til å ha en høy effekttetthet slik at det kan trekke mye strøm. Det mister heller ikke så mye energi når det ikke brukes, og det varer i mange flere sykluser. På den annen side har det en organisk flytende elektrolytt som gjør det mer brannfarlig. Og det har også andre problemer, sier Norby.

Litium vinner terreng

Selv om litium-ion-batteriet i dag brukes i alt fra elbiler, verktøy, telefoner og datamaskiner, belyser det en av batteribransjens største hodepiner: mangelen på kritiske råstoffer.

– Som navnet antyder, inneholder batteriet metallet litium, som vi faktisk har nok av, men ikke så mye at vi kan droppe å resirkulere det, sier professoren.

Råstoffet kobolt er mer problematisk. Ifølge Poul er det et godt katodemateriale, men det er problematisk på mange andre måter.

– Både når det gjelder ressurser, altså hvor mye kobolt vi har, hvor giftig det er og måten det utvinnes på. Det gjelder for eksempel noen av de kritiserte koboltgruvene i Kongo.

Her er det dokumentert hvordan barnearbeidere utvinner kobolt i uregulerte gruver uten hjelm, maske eller annen beskyttelse. For ikke å snakke om Indonesias utvinning av metallet nikkel, som også finnes i batterier og er skadelig for både natur og mennesker. I Chile bruker utvinningen av litium opp landets knappe vannressurser.

Derfor jobber forskere på spreng for å redusere koboltinnholdet i de populære litium-ion-batteriene og for å finne mer effektive alternativer.

Natrium-batterier og LFP-batterier

Er litium-ion-batteriet seierherren i det store batterikappløpet?

Nei, jakten på forbedringer fortsetter med uforminsket styrke, ifølge DTU-forskeren.

– Det forskes på en rekke alternativer. For eksempel natrium-batterier, som aldri vil nå samme energitetthet, men som er mye tryggere.

Og så er det LFP-batteriet, en type litium-ion-batteri også kjent som jernfosfatbatterier. Et billig batteri som bruker jern og fosfor i stedet for nikkel og kobolt og som allerede dominerer i Kina. Men det brukes først og fremst til stasjonær lagring og til elbiler med litt kortere rekkevidde, sier Norby.

Industrien og forskerne har også store forventninger til faststoffbatteriet, som har vært på trappene lenge og som sannsynligvis vil være mindre brannfarlig. Og det vil forhåpentligvis være mindre, lettere, mer energitett og levedyktig.

Men til tross at produsentene hevder at faststoffbatteriet er rett rundt hjørnet, er det vanskelig å vite hvor langt utviklingen er kommet, ifølge batteriforskeren.

Så hva ville han satt pengene sine på i dette kappløpet?

Tror det blir forskjellige batterier med ulike fortrinn

– Det kommer nok til å bli en løsning som er en blanding av flere typer. Jeg tror litium-ion-batteriet vil dominere i mange år fremover, også fordi prisen har falt drastisk, så nye teknologier må kunne konkurrere med det, sier han.

Derfor vil fremtidens batteri sannsynligvis ikke være én type, men en rekke forskjellige som utmerker seg på ulike måter. Hvis det blir et bredere tilbud, kan det lette noe av presset på noen av de mest kritiske råstoffene.

– Det vil komme batterier som er bedre og mindre, men det kommer ikke til å skje over natten. Vi har tatt noen av de store sprangene, men det kan skje mer innen batteriutvikling. For eksempel når det gjelder teknologier der man kan doble eller tredoble energitettheten, sier Norby.

– Men det er ikke enkelt. For litium-ion-batteriet er så forferdelig godt.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

LES OGSÅ

Slik påvirker kulda batteriene i elbiler og elbusser

Et nytt batteri kan lades på fem minutter. Hva skal til for at det kan brukes i elbiler?

Opptatt av teknologi?

Følg den nyeste utviklingen innen kunstig intelligens, energi, sosiale medier og roboter med nyhetsbrev fra forskning.no.

Meld meg på