Relativt gode batterier

Batterier er fascinerende ting når man først begynner å tenke litt på kjemien som ligger bak. Prinsippene for et batteri er enkle nok: Lagring av energi i form av kjemisk energi, og konvertering og frigjøring av denne kjemiske energien til elektrisk energi når det er bruk for den. I praksis er dette kjemiske reaksjoner hvor noen stoffer gir fra seg et elektron og andre stoffer tar opp disse elektronene, det man som kjemiker vil kalle en redoks-reaksjon. Denne overføringen av elektroner bruker vi så til å gi oss strøm.  

Hvilken spenning man får ut av et batteri er bestemt av den såkalte Nernsts likning. I Nernst likning inngår to størrelser, standard elektrokjemiske potensialer og sammensetningen av reaksjonsblandingen. Det standard elektrokjemiske potensial er et mål på hvor lett eller vanskelig en gitt kjemisk forbindelse gir fra seg eller tar opp elektroner under ellers like betingelser (det kjemikere vil kalle standardbetingelser). Denne forskjellen er selve drivkraften bak konverteringen av kjemisk energi til elektrisk energi. I tillegg inngår sammensetningen av reaksjonsblandingen, dvs. hvor mye vi har av de enkelte forbindelser i reaksjonsblandingen. Når de ulike forbindelsene reagerer med hverandre og batteriet produserer strøm, så forbrukes noen av forbindelsene og det lages mer av andre forbindelser. Mao., når vi bruker batteriet så endrer vi spenningen til batteriet, og batteriet vil langsomt utlades.  

Det viktig at disse reaksjonen skjer for hurtig, da dette ofte vil kunne føre til materialskader, og dermed ødelegge batteriet. Dette er kanskje et større problem for oppladbare batterier enn for engangsbatterier, men konsekvensen er at det dels er begrensninger på hvor mye strøm vi kan hente på kort tid (og dermed blir det lite svidd gummi av en elektrisk bil).  

For å sikre en god og stabil virkning av batteriene, så er det viktig at det en god intern transport av ioner, og dette er et komplekst samspill av mange kjemiske og fysiske parametre.

Kompleksiteten i batteriteknologi illustreres kanskje best ved at vi faktisk ikke har sett en batterirevolusjon på mange tiår (selv om det er fremskritt, også i Norge). Batterier er gammel og velprøvd teknologi. Samtidig er det slik at det som i mange tilfeller stopper utviklingen av enda raskere og mindre bærbare datamaskiner og mobiltelefoner, for ikke å snakke om en revolusjon innen elektriske biler, er mangelen på gode nok batterier.

Har du en revolusjonerende ide for hvordan man kan lage et nytt batteri med en mangedobbel lagringskapasitet for kjemisk energi på mindre plass enn idag, samtidig som du leverer en stabil spenning over en lengre periode, gjerne slik at det kan lades opp igjen, så tror jeg kan du bli en meget rik person.   

Jeg var i sommer på en nanoteknologikonferanse i Obergurgl relatert nettopp til fremtidens energiutfordringer. Det var foredrag både om innhøsting av energi (solceller), mer energieffektive prosesser (nanofabrikker og nanomotorer) og energibærere, blant annet batterier. Nanoteknologi kan være løsningen på alle eller mange av disse utfordringene, men det slo meg i løpet av foredragene at batterier er en av de virkelig store utfordringene, hvor man fortsatt på mange måter famler litt i blinde (selv om det er en veldig målrettet famling) på grunn av kompleksiteten av et batteri. Alle komponentene i et batteri henger veldig tett sammen, og du er nødt til å se på hele systemet for å kunne gjøre forbedringer. Det er ikke mulig å ta en og en del å forbedre denne slik at du får et bedre batteri. Når ulike deler henger så tett sammen, så blir det mye vanskeligere å vite hva som er det viktigste for å gjøre store fremskritt, også fordi det som er bra for en del av batteriet ikke nødvendigvis er bra for en annen del.  

Kanskje er vi nødt til å tenke helt nytt, men hva da? Hydrogen som energibærer er en mulighet, men vil vi kunne lage energibærere for mobiltelefoner og datamaskiner basert på hydrogenteknologi? Og hvordan skal vi fylle disse med ny hydrogen, vi kan jo ikke reise til hydrogenstasjonen for å fylle opp mobiltelefonen med hydrogen, og hydrogengassrør inn i hjemmene våre er neppe noen god ide? Men hydrogenbiler ruller jo rundt på veiene allerede, så her er det muligheter.

Einstein’s relativitetsteori er vel kjent for de fleste. Det er mange aspekter ved denne teorien, blant annet at lysfarten i det tomme rom er konstant uavhengig av hvilket referansesystem man er i, og at denne hastigheten ikke er uendelig stor, men har en endelig verdi på 3.0*10^8 m/s, dvs 300 000 000 m/s. Når objekter begynner å bevege seg med hastigheter nær lysets, så vil disse oppføre seg annerledes enn det vi er vant med fra dagliglivet, både fra klassisk fysikk og kvantefysikk.  

Nå er jo 300 000 000 m/s en veldig høy hastighet, og man vil kanskje derfor tro at det ikke spiller noen rolle for oss i dagliglivet. Men faktisk er det slik at for tyngre grunnstoffer, som gull og bly, så beveger elektronene nærmest kjernen med hastigheter nær 10% av lysets hastighet, og da endres de kjemiske egenskaper til disse grunnstoffene. Uten relativistiske effekter ville f.eks. gull hatt samme farge som sølv.  

Noen kollegaer av meg i Helsinki publiserte nylig et teoretisk arbeid på blybatteriet som vi alle har i bilen vår (arbeidet ble faktisk også ble sitert i The Economist, og det skjer ikke ofte i teoretisk kjemi ;-) ). Målet deres var ikke å komme opp med et bedre batteri, men  de at spenningen i et bilbatteri, 2.4 V, kan beregnes med teoretiske metoder. Mer interessant er det dog at denne spenningen i stor grad skyldes relativistiske effekter, og at spenningen ville vært kun 0.5 V uten relativistiske effekter, slik at i en ikke-relativistisk verden kunne vi faktisk kanskje fortsatt stått der med sveiven for å få start på bilmoteren.  

Verdt å tenke på neste gang bilen nekter å starte en kald vintermorgen. Det er tross alt et relativ(istisk)t godt batteri……