Svidd gummi med el-bil

Nanomateriale kan gi kjappere elbiler og mobiler som lades på tre minutter. Men utfordringene står i kø for forskerne som skal lage batteriene.

Publisert
"El-bilen, her illustrert av en Think, blir stadig mer populær - men det er kanskje ikke akselerasjonshastigheten som trekker kjøperne mest. (Foto: Think Nordic AS)"
"El-bilen, her illustrert av en Think, blir stadig mer populær - men det er kanskje ikke akselerasjonshastigheten som trekker kjøperne mest. (Foto: Think Nordic AS)"

Oppladbare batteriers kjemi

- Et li-ionbatteri består av anode, katode og elektrolytt

- Ionene er i anoden når det er helt oppladet, og i katoden når det er helt utladet. Å bruke batterier flytter ionene til katoden, å lade det opp fører de tilbake i anoden.

- Masse kraft på kort tid betyr at så mange ioner som mulig flyttes fra anoden til katoden på kortest mulig tid

- Problemet oppstår fordi litium er ustabilt, og varierer veldig i volum etter hvor mye ioner det inneholder.

- Vokser eller skrumper litiumen for fort, kan kjeden av litiumatomer brytes, og batteriet kortslutter. Dette er grunnen til at batterier i dag tar lang tid å lade – det er et bevisst valg for at batteriet ikke skal kortslutte umiddelbart.

- Når det gjelder katoden er det et problem å finne et materiale som kan ta opp nok ioner, og som kan gjøre dette kjapt nok.

- I dag brukes stort sett koboltoksid sammen med litium i katoden. Dette er imidlertid et dyrt materiale, og det kan være kreftfremkallende.

- Forsøk er gjort på å erstatte kobolt med jernfosfat. Jernfosfat er et ustabilt materiale, og kan kun ta opp og sende fra seg litium-ioner når det er i en spesiell form. Det begrenser derfor bruksnytten av materialet.

- Oppladbare batterier trenger ikke bruke litium, selv om det er det vanlige i dag.

- Også vann, luft og til og med bakterier kan brukes som det strømførende stoffet– med mer eller mindre hell.

Kilder: Ola Nilsen, Kjemiwiki.no, Earth911.com

For å kunne dra på skikkelig i en bil, trenger du mye kraft på kort tid. Akkurat dét er bensinmotoren god på.

Elektriske motorer derimot, har ikke hatt like stor suksess med å fostre fartsmonstre. Et batteri er mye bedre til å levere en jevn strøm av elektrisitet enn til å gi maks på kort tid.

40 til 60 ganger kjappere

Et team fra Rensselaer Polytechnic Institute i byen Troy i New York, USA har nå tatt oss et skritt nærmere muligheten for å gjøre elbiler til en fartsfreaks drøm.

Batterier laget av nanomaterialer de har utviklet, kan nemlig lades og utlades 40 til 60 ganger kjappere enn vanlige batterier, uten at det kortslutter.

Forskerne har kalt materialet nanoscoops, fordi det minner om iskremkjeks med iskuler på toppen. Studien ble publisert i tidsskriftet Nano Letters i desember.

- Det er en fascinerende dings de har laget, sier Ola Nilsen ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han forsker selv på batteriteknologi.

Må gå sakte for å ikke kortslutte

Litium-ionbatterier, eller li-ionbatterier, er den nye typen oppladbare batterier. Det består av tre deler – en anode, en katode og en elektrolytt som skiller de to (se faktaboks).

Batteriet fungerer ved at litium blir oksidert til ioner i anoden, og beveger seg gjennom elektrolytten til katoden. Samtidig vandrer det elektroner i elektronikken som du kobler til polene på batteriet.

Ved å dele den kjemiske prosessen i ioner og elektroner kan man få ut elektrisk strøm.

Endrer størrelse

Problemet er at når man flytter ioner kjapt, sliter det på den indre strukturen i batteriet. Selv om litium ikke er så stort, så tar det litt plass. Katoden og anoden endrer derfor størrelse når de mottar og gir fra seg litium.

Det fører til spenninger som kan gjøre at batterimaterialet sprekker opp og mister kapasitet.

Det kan sammenlignes med litt vann i en plastflaske som legges i fryseren. Fryser og tiner vannet nok ganger i flasken, vil plasten slites og til slutt sprekke.

I dag brukes karbon som anodemateriale for litium inne i batteriet. Karbonet stabiliserer og fordeler litiumet slik at det ikke sveller og skrumper så mye.

Men karbonet er ikke spesielt raskt til å gi fra seg eller ta opp litium – og du får dermed ikke så mye strøm ut av batteriet på kort tid som en bilentusiast gjerne ønsker.

Scoop bedrer hastigheten

Utsnitt av nanoscoops (Foto: Rensselaer Polytechnic Institute)
Utsnitt av nanoscoops (Foto: Rensselaer Polytechnic Institute)

Et materiale som er bedre på å gi fra seg og ta opp litium er silisium. Ulempen er at silisium endrer seg veldig mye i størrelse i den prosessen.

Derfor forsøker man å finne en eller flere konstruksjoner med silisium som kan overleve en slik endring i volum gjentatte ganger – og det er det dette arbeidet har funnet en ny løsning på.

Nanoscoopene består av en bunn av karbon, så en bit aluminium og så til slutt en ”scoop” med silisium på toppen. Karbon leder ioner relativt dårlig, mens aluminium er en litt bedre leder og silisium er enda bedre.

Fordelen med en slik struktur er at stresset fra det svellende silisiumet blir fordelt over flere punkter. Du får en gradvis overgang heller enn all veksten på ett punkt – og batteriet tåler derfor strukturelle endringer bedre.

Kjappere mobillading

For store apparater som trenger svære batterier, kan teknologien best brukes til å få stor output av strøm, altså i for eksempel akselerasjon eller bremsing i bil.

Å lade de store batteriene kjapt opp igjen vil ikke være like aktuelt, fordi du vil trenge et strømnett som levere mye mer kraft på kort tid enn hva som er tilfellet i dag.

For mindre elektroniske dingser, som for eksempel mobiltelefoner, er imidlertid dette en mulighet. Batteriene i slike apparater har såpass lav kapasitet at man ikke trenger å endre strømnettet for at det skal tåle å levere nok strøm til en kjapp oppladning.

Litium-ionbatteri til mobiltelefon (Foto: kristoferb/Wikimedia Creative Commons)
Litium-ionbatteri til mobiltelefon (Foto: kristoferb/Wikimedia Creative Commons)

Se for deg å lade mobiltelefonen på tre minutter i stedet for på en time. Det kan bli virkelighet, dersom nanoscoopmaterialet en dag kan tas i bruk.

En tredjedels batteri

Vi er imidlertid et godt stykke unna det punktet – for anoden er ikke den eneste delen av batteriet.

- Det forskerne har gjort, er å lage en tredjedel av et batteri, forteller Nilsen.

- De har laget en spennende anode, men det trengs fortsatt en ny katode og elektrolytt som skal følge med.

Foreløpig finnes det ikke noen katode som er i stand til å ta imot ionene så fort som denne anoden leverer dem. Elektrolytten må også forbedres. Slik den lages i dag, er den ekstremt brennbar.

Det er ikke spesielt lurt når du har å gjøre med høy fart og mye varme - altså i bilkjøring.

Bensintank på 300 kg

Ola Nilsen (Foto: UiO)
Ola Nilsen (Foto: UiO)

Det er også andre problemer knyttet til el-bilbatterier.

De skal ikke bare kunne levere nok kraft kjapt nok til at bilen blir brukbar til annet enn søndagskjøring. Det må også bli både kraftig nok og lett nok til å kunne gi tilsvarende rekkevidde som en bensinbil.

- Det er faktisk lettere å lage batterier med større effekt enn å lage lette batterier med stor nok kapasitet til lange kjøreturer, sier Nilsen.

- Det er materialene som står i veien for å få til sistnevnte – om man har et batteri som gir bilen nok rekkevidde, så er det også fryktelig tungt.

- Hvem vil egentlig ha en ”bensintank” på 600 kg?

Holdbart nok?

Dessuten må batteriene bli billigere og mer stabile. Prisen vil sannsynligvis bedre seg av seg selv, ettersom drivstoffprisene til vanlige biler går opp når det blir mindre olje i omløp. Batteriene, som alt annet, blir dessuten billigere jo flere du lager.

Stabiliteten er verre å få til – her er vi tilbake til stresset batteriene utsettes for av at materialene sveller og skrumper.

- Å minimere slitasjen er en stor utfordring. Dagens batterier kan lades opp 500, kanskje 1 000 eller 2 000 ganger. Til sammenligning kan et batteri med anode basert på titanoksid lades kanskje 40 000 ganger, forklarer Nilsen.

- Men på den andre siden har det mye lavere spenning.

Nanoscoopbatteriet ble testet over 100 oppladninger for denne studien. Et kommersielt batteri må tåle langt flere oppladninger enn som så – og dette er en av utfordringene teamet i USA nå er i gang med å løse.

Nilsen tror likevel ikke nanoscoops er den endelige løsningen for silisiumanoder.

- Silisium er et interessant anodemateriale, men det utsettes for utrolig mye stress, det er svakheten. Jeg tror nok ikke de klarer å få silisiumet til å tåle så mange oppladninger som trengs, sier han.

Små skritt i riktig retning

Lamborghini Murcielago (Foto: Ian Hughes/Wikimedia Creative Commons)
Lamborghini Murcielago (Foto: Ian Hughes/Wikimedia Creative Commons)

Vi er altså fortsatt flere år unna en el-bil som både kan gå langt, være kjapp, lett og billig.

- Men det denne studien har gjort, er å foreslå en spenstig løsning på ett av områdene som må forbedres. Dét er veien å gå, tror Nilsen

- Det er mye som skal til før vi kommer så langt at el-biler blir like gode som bensinbiler. Dette arbeidet alene kommer nok ikke til å redde verden, men det er ett skritt på veien.

Kilder:

R. Krishnan, T. Lu & N.Koratkar (2010) Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes Nano Letters, online 30. desember 2010 (les sammendrag)

Pressemeldingen fra Rensselaer Polytechnic Institute

Les mer:

UiOs kjemiwiki: Batterier