En ny generasjon oppladbare batterier har gjort sitt inntog i hverdagslivet vårt. I dag finner vi litium-ionbatterier i mobiltelefoner, lesebrett og bærbare PC-er. I tillegg leverer de strøm til moderne elbiler.

Styrken til disse batteriene er at de er lette, pluss at de de kan lades fort og mange ganger. Samtidig sørger de for at de bærbare duppedittene og elbilene får utført mye arbeid mellom hver gang de lades.

Litium-ionbatterier inngår i millioner av utstyrsenheter. Men flere parallelle forskningskappløp er alt i gang for å videreutvikle dem.

Ett av disse racene dreier seg om å bytte ut de kostbare, giftige og miljøskadelige stoffene kobolt og nikkel som i dag inngår i batteriene. I dette mesterskapet deltar ei forskergruppe fra Trondheim.

Batterileksjon for lekfolk

Sintefs Tommy Mokkelbost og NTNUs Fride Vullum-Bruer er med på dette laget. De to har for lengst vent seg til å snakke i bilder. De vet nemlig at mange av oss ikke husker stort fra fysikktimene om batteriers virkemåte.

Duoen anbefaler folk å se for seg elektrodene inne i batterier (anoden og katoden) som to vannbøtter. 

Den ene plassert på golvet. Det er katoden. Den andre bøtta står på et bord. Det er anoden.

Også vannbøtter kan betraktes som energilagre, akkurat som batterier. Så sammenlikningen funker, forsikrer forskerne.

Mer vann opp på bordet

Når mobiltelefonen eller elbilen kobles til strømnettet, løftes “vann” fra den nederste bøtta over i den øverste (se figur).

Idet du ringer eller starter elbilen, reverseres prosessen. Da må du se for deg at vannet fosser ut av et hull i bøtta på bordet.  Deretter at strålen treffer et skovlhjul – som gir strøm til telefonen og elbilen – før vannet ender i bøtta på golvet igjen.

Jo mer vann den øverste bøtta rommer, jo mer kapasitet får batteriet. Og jo høyere kapasiteten er under ellers like forhold, jo mer arbeid kan batteriet bidra til å utføre mellom hver opplading.

– Flere av industri- og forskningsmiljøene som vil øke kondisen til litium-ionbatteriene, er mest opptatt av å skape mer plass i den øverste bøtta, forklarer Mokkelbost.

Sammen med resten av prosjektgruppa har han tatt fatt i den andre enden.

– Vi prøver i stedet å få løftet mer vann ut av den nederste bøtta. Det er også viktig.  For hvis ingen lykkes med dette, vil kapasiteten til batteriene forbli noenlunde den samme.

Vandrende partikler

Som navnet tilsier, står grunnstoffet litium sentralt i litium-ionbatterier. Litium inngår i materialet som katoden er laget av, der det er bundet til en rekke andre stoffer.

Ved opplading av batteriet, «sparkes» litium-atomer ut av katoden. Samtidig gir de fra seg en negativ ladning – et elektron.

Det som er igjen av atomet, er en positivt ladd partikkel som kalles et ion. Både ionet og det frigjorte elektronet setter nå kurs for anoden. Men de tar hver sin vei.

Ionene vandrer til anoden gjennom batteriet. De frigjorte elektronene skyves gjennom en ledning.

I anoden forenes ion og elektron – og lagres, helt til vi skal bruke batteriet. Elektronet blir da frigjort på nytt, vandrer tilbake gjennom ledningen og lager strøm. Litium-ionene, på sin side, legger returen gjennom batteriet.

Dermed er litiumet tilbake på startstreken igjen. Helt til neste opplading finner sted blir litium-atomene værende i katoden, bundet til de andre stoffene som inngår her. Blant disse er de dyre og miljøskadelige stoffene nikkel og kobolt, som utgjør bakteppet for NTNU og Sintefs prosjekt.

Tre ting på en gang

Forskergruppa i Trondheim skal undersøke hvordan både nye katodematerialer og nye metoder for framstilling av katodene vil innvirke på egenskapene til batteriet.

– Får vi til alt vi håper, blir resultatet som et Kinder-egg, sier Vullum-Bruer.

I likhet med en rekke andre forskningsgrupper rundt om i verden skal prosjektgruppa lage katoder der litium-atomene er bundet til en miks av grunnstoffene jern, mangan, silisium og oksygen. Sammen utgjør stoffene et silikat.

Og ambisjonen i prosjektet er altså å innkassere tre gevinster på en gang:

1. Grønnere batterier: 
Innholdet i katodematerialet blir grønnere, ved at kobolt og nikkel erstattes av mer miljøvennlige forbindelser. Forskerne i Trondheim ønsker også å få til en mer miljøvennlig produksjon av katodematerialet. Dette ved at råstoffkomponentene skal løses opp i vann, ikke i helse- og miljøskadelige løsemidler slik det ofte gjøres i dag.

2. Mer kondisjonssterke batterier:Håpet er at den nye sammensetningen av katodematerialet skal gjøre det mulig å frigjøre flere litiium ioner fra katoden. I anoden er det god plass til flere slike ioner. Så derfor: hvis det blir mulig å løfte flere ioner over fra katoden til anoden, vil batteriet få økt kapasitet.

3. Bruk av billigere råstoffer:
En hovedidé i prosjektet er å lage katodematerialet av rimelige råstoffer, som det finnes mye av i Norge. Planen er å utnytte blant annet silikastøv, et biprodukt som renses ut fra avgassene ved silisium- og ferrosilisiumverk, og jernoksid, et produkt fra norsk gruveindustri.

Norsk nisje

Mokkelbost og Vullum-Bruer vet godt at forskningsmiljøer i mange land prøver å lage katodematerialer av nøyaktig de samme grunnstoffene som de selv vil studere.

Mens mange av konkurrentene satser på råstoffer med høy renhet, les: dyre ingredienser, går forskergruppa i Trondheim for et annet og rimeligere opplegg.

De vil hente råstoffene delvis urenset fra de industriprosessene der stoffene blir til.  Men da vil forurensninger følge med over i batteriet.

– Vil ikke dette gå utover yteevnen til batteriene?

– Det vil det helt sikkert gjøre. Men ingen vet ennå hvor mye. Det vi håper å klare, er å lage råstoffer som både er rimelige og samtidig gir batterier med høyere yteevne enn dagens litium-ionbatterier, sier Mokkelbost.

– Men ingen lager batterier her til lands. Hva vil Norge få igjen hvis dere lykkes?

– Først og fremst muligheten til å bli material-leverandør til framtidas batterier. Her snakker vi om kjempestore markeder, ikke minst på grunn av alt som nå skjer på miljøbilfronten.

Raskere opplading

Resultater som alt er oppnådd i forskningsmiljøer verden rundt, deriblant i Trondheim, har også tent et håp om at det vil gå an å lade morgendagens litium-ionbatterier hurtigere enn dagens.

Dette til tross for at også de nye materialene har dårlig ledningsevne, i likhet med dagens katodematerialer. Verken ioner eller elektroner får til å bevege seg raskt her.

– Utfordringen er akkurat den samme som når publikum skal loses ut fra et tettpakket fotballstadion.  Pusher vi på ionene for å få dem raskt ut, dulter de bare inn i hverandre, sier Vullum-Bruer.

Både den norske forskergruppa og mange av samarbeidspartnerne og konkurrentene har angrepet dette problemet ved hjelp av nano-teknologi.

– På den måten har vi klart å dele katodematerialet inn i mange små fotballbaner i stedet. Da klarer vi å skyve ionene ut mye raskere.

– Men én ting er å lykkes på laboratoriebenken. Den neste utfordringen blir å finne metoder som blir kostnadseffektive også i industriell skala, sier Vullum-Bruer.