Batteri for landeveien

Elbilen trenger et superbatteri for å kunne legge ut på langtur. Men utfordringene står i kø for litium-luftbatteriet.

Publisert

Selv dagens beste litium-ionebatterier klarer ikke å lagre nok energi til å gi den rekkevidden som elbilene trenger.

Skulle et slikt batteri gitt like mye energi som en full tank bensin, måtte det veid over ett tonn.

Tesla Roadster (Foto: Tesla Motors)
Tesla Roadster (Foto: Tesla Motors)

Kjører med laptop-batterier

Bilen Tesla Roadster viser riktignok at du kan bygge en elbil som går 400 kilometer på en ladning allerede i dag. Men det koster.

- Batteriene i Tesla Roadster er en av de dyreste delene i bilen. Det består av sammenkoblede alminnelige laptop-batterier, forteller Tejs Vegge. Han er seniorforsker ved Danmarks Tekniske Universitet, og leder arbeidet med utvikling av de nye litium-luftbatteriene i Avdelingen for Materialforskning, Risø DTU.

Han forteller også at rekkevidden til Tesla Roadster går ned hvis man kjører så sportslig som reklamen innbyr til.

- Til bytransport kan dagens litium-ionebatterier benyttes, men til de lange strekninger og tunge trekk, som for eksempel godstransporter, behøves nye typer av batterier, sier han.

Enkel reaksjon

Litium-luftbatteriene skal gjerne kunne lagre like mye energi som en full bensintank, uten å veie mer. Teknologien er enkel å forstå, men vanskelig å lage.

Utgangspunktet er alkalimetallet litium. Det er et sølvblankt og glinsende, og lettere enn noen andre metaller. Litium er så bløtt at du kan skjære i det med en kniv, og reagerer raskt med andre stoffer.

Figuren viser virkemåten for Li-luftbatteriet. (Figur: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU, oversatt og bearbeidet av forskning.no)
Figuren viser virkemåten for Li-luftbatteriet. (Figur: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU, oversatt og bearbeidet av forskning.no)

I dagens litium-ionebatterier er de kjemiske reaksjonene mer sammensatte og vanskelige å forstå, men i litium-luftbatteriet er reaksjonen enkel: litium reagerer med oksygen.

- Denne reaksjonen har to fordeler. Den første er at den gir mye energi. Den andre er at oksygenet kan hentes fra lufta, og dermed ikke trenger å være en del av batteriet i utgangspunktet, forklarer Vegge.

Batteriet gir altså mye energi, og veier lite. Bygget for landeveien, med andre ord. Men selv om prinsippet er enkelt, er virkeligheten mer gjenstridig enn som så.

Utfordringer i kø

- Ett av de største problemer vi arbeider med å løse, er energitapet ved opplading, forteller Vegge.

- Foreløpig går opptil 40 prosent av den elektriske energien tapt ved opplading. Det er alt for mye. Forskerne prøver å redusere tapet ned til 10 prosent, som i dagens litium-ionebatterier, sier han.

Den høye overspenningen som kreves under lading, kan også skade elektrolyttene i batteriet. Det er disse stoffene som tillater litiumionene å vandre mellom elektrodene under bruk og opplading. (Se figur ovenfor!)

Ladingen må også skje raskere. Det kan oppnås ved å bruke katalysatorer, som får kjemiske reaksjoner til å gå fortere.

- Vi leter etter nye katalysatorer. Kanskje må vi bruke to forskjellige, en ved utlading under bruk og en ved opplading, sier Vegge.

Energitetthet i forskjellige batterier, sammenlignet med bensin. Figuren viser hvordan Li-luftbatteriet har samme energitetthet, det vil si like mye energi per vektenhet, som bensin. (Figur: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU, oversatt av forskning.no)
Energitetthet i forskjellige batterier, sammenlignet med bensin. Figuren viser hvordan Li-luftbatteriet har samme energitetthet, det vil si like mye energi per vektenhet, som bensin. (Figur: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU, oversatt av forskning.no)

Luft i porene

Et annet problem er at strømproduksjonen er ganske liten per flateenhet i batteriet. Reaksjonen må foregå over store flater. Først da blir strømstyrken stor nok til å kunne drive for eksempel en bil.

- En måte å få en stor flate inn i et lite volum, er å lage et porøst materiale, forteller Vegge.

I dag brukes porøst kull i elektroden der litium reagerer med oksygen. Men det porøse materialet lager også sine spesielle problemer.

- Når litium reagerer med oksygen, dannes litiumperoksid. Dette stoffet kan stoppe igjen porene. Dessuten leder det ikke strøm. Dermed går reaksjonene saktere, og det produseres mindre strøm, sier Vegge.

Batteriene blir også tyngre etter hvert som litium binder til seg oksygenet i lufta i reaksjonen. Dermed får bilen større vekt å slepe på, og det gir ekstra energitap.

Fra venstre: Daði Sveinbjörnsson, Poul Norby, Søren Højgaard Jensen og Tejs Vegge ved ‘hanskeboksen’, der de kan framstille litiumbatterier uten at luft kommer i kontakt og reagerer med litiummetallet. (Foto: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU)
Fra venstre: Daði Sveinbjörnsson, Poul Norby, Søren Højgaard Jensen og Tejs Vegge ved ‘hanskeboksen’, der de kan framstille litiumbatterier uten at luft kommer i kontakt og reagerer med litiummetallet. (Foto: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU)

Tåler ikke vann

Enda ett problem er vanndamp i lufta. Litium elsker vann. Det reagerer lett med vann, og utvikler brannfarlig hydrogen.

Derfor er dagens litium-ionebatterier vanntett innkapslet. Kommer det vann til , oppstår nemlig eksplosjonsfare.

- Prototypene på litium-luftbatteriet går på rent, tørt oksygen i laboratoriet. Men i all vanlig luft er det vanndamp i større eller mindre mengder, forteller Vegge.

- Det er også et problem at luft inneholder bare rundt 23 prosent oksygen. Resten er stort sett nitrogen. Det betyr at reaksjonene går langsommere enn i rent oksygen, understreker han.

Først i mindre elektronikk

Doktorgradstipendiat Daði Sveinbjörnsson studerer en prøve av et nytt elektrolyttmateriale som kanskje kan brukes i litiumbatterier. Ledningevnen til elektrolytten må undersøkes for å finne ut om den egner seg for Li-ion eller Li-luftbatterier. (Foto: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU)
Doktorgradstipendiat Daði Sveinbjörnsson studerer en prøve av et nytt elektrolyttmateriale som kanskje kan brukes i litiumbatterier. Ledningevnen til elektrolytten må undersøkes for å finne ut om den egner seg for Li-ion eller Li-luftbatterier. (Foto: Danmarks tekniske universitet, Risø DTU)

På grunn av alle disse problemene, tror Vegge at de første industrianvendelsene av litium-luftbatterier ikke blir i bil. Her blir kravene til stor strømstyrke for store i første omgang.

- Spesiell anvendelser med små krav til plass og små strømstyrker over lang tid vil trolig først kunne dra nytte av litium-luftbatterier, mener han.

I 2009 startet IBM et forskningsprosjekt på sitt Almaden forskningssenter i California, kalt Battery 500. Datagiganten får penger fra det amerikanske energidepartementet for å utvikle denne lovende teknologien.

- Vi samarbeider med IBM gjennom Stanford-universitetet, forteller Vegge.

Annen viktig forskning utføres ved det halvstatlige Argonne National Laboratory og det jordskjelvrammede National Institute of Advaned Industrial Science and Technology i Japan.

- I Japan forskes det også mye på utvikling av nye elektrolytter. Det finnes også franske , tyske og svenske forskergrupper som er langt fremme, sier Vegge.

Nanoteknologi og datamodeller

Mye av forskningen går ut på datamodellering av hvordan atomene reagerer med hverandre. Nanoteknologi blir viktig for å utforme batteriet slik at reaksjonene kan gå mest mulig effektivt.

IBMs prosjekt tar sikte på å utvikle et brukbart batteri i løpet av de neste tre årene. Men det kan ennå ta mange år før batteriene er klare for landeveien.

- De første litium-luftbatteriene vil være et stykke fra den teoretiske ytelsesgrensen. Men potensielt vil de kunne konkurrere med energitettheten i bensin, sier Vegge.

En vanlig bensin- eller dieselmotor sløser nemlig vekk rundt 70 prosent av energien i drivstoffet til varme. Bare 30 prosent blir til framdrift.

- En elektromotor omsetter derimot rundt 90 prosent av energien i batteriet til framdrift. Skulle de første batteriene ha en ytelse under det teoretisk oppnåelige, har de derfor likevel en fordel, sammenlignet med bensin eller diesel, sier Vegge.

Lenker/referanse:

Artikkel om litium-luftbatterier fra Danmarks tekniske universitet

J. S. Hummelshøj et.al: Elementary oxygen electrode reactions in the aprotic Li-air battery, The Journal of Chemical Physics, 16.2.2010

Artikkel om litium-luftbatterier fra Uppala Universitet

Artikkel om Battery 500-prosjektet til IBM i Technology Review (fra oppstarten i 2009)

Artikkel om Battery 500-prosjektet til IBM i New York Times, fra 3. februar 2011

Video fra Journal of Physical Chemistry Letters, der forsker fra IBM snakker om litium-luftbatterier

Video om litium-luftbatterier fra Argonne National Laboratory, USA

Annen video om litium-luftbatterier fra Argonne

G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson and W. Wilcke: Lithium−Air Battery: Promise and Challenges. Journal of Physical Cemistry letters 2.7.2010„ pp 2193-2203 DOI: 10.1021/jz1005384