Elbiler skal køre endnu hurtigere.(Foto: Tony Hisgett)

For at kunne give den ordentligt gas i en bil, skal du bruge megen kraft på kort tid. Det er netop, hvad en benzinmotor er god til.

Elektriske motorer har derimod ikke haft lige så stor succes med at fremavle biler til fartdjævle.

Et batteri er meget bedre til at levere en jævn strøm af elektricitet end til at give den max gas på kort tid.

40 til 60 gange hurtigere

Et forskerteam fra Rensselaer Polytechnic Institute i den amerikanske by Troy er nu kommet et skridt nærmere målet om at gøre elbiler til en hastighedsjunkies våde drøm.

Batterier fremstillet af nanomaterialer, som forskerne har udviklet, kan nemlig oplades og aflades 40 til 60 gange hurtigere end almindelige batterier, uden at det kortslutter. Forskerne kalder materialet nanoscoops, fordi formen minder om en fyldt isvaffel.

»Det er ganske fascinerende,« siger Ola Nilsen fra Universitetet i Oslo. Han forsker selv i batteriteknologi.

Skal gå langsomt for ikke at kortslutte

Den nyeste type genopladelige batterier er litium-ionbatterier, eller li-ionbatterier. Det består af tre dele: En anode, en katode og en elektrolyt, som adskiller de to. Batteriet fungerer ved, at litium bliver oxideret til ioner i anoden og bevæger sig gennem elektrolytten til katoden.

Problemet er, at når man flytter ioner hurtigt, slider det på den indre struktur i batteriet. Selv om litium ikke fylder så meget, kræver det en del plads.

Katoden og anoden ændrer derfor størrelse, når de modtager og afgiver litium. Det fører til spændinger, som kan betyde, at batterimaterialet ødelægges og mister kapacitet.

Ikke hurtigt nok til bilentusiaster

Det kan sammenlignes med lidt vand i en plastikflaske i fryseren: Hvis vandet i flasken fryser og smelter tilpas mange gange, vil det slide på plastikken, og den vil til sidst sprække.

I dag bruges karbon som anodemateriale for litium inde i batteriet. Karbonet stabiliserer og fordeler litiumet, så det ikke svinger lige så meget i størrelsen.

Men karbonet er ikke specielt hurtigt til at afgive eller optage litium, og du får dermed ikke lige så meget strøm ud af batteriet på så kort tid, som bilentusiaster gerne ønsker sig.

Scoop forbedrer hastigheden

Der er ellers et materiale, som er bedre til at afgive og optage litium, nemlig silicium. Ulempen er dog, at silicium ændrer størrelsen voldsomt under den proces.

Derfor forsøger man at finde en eller flere konstruktioner med silicium, som kan overleve disse gentagne volumenændringer. Og det er netop det problem, forskerne nu har fundet en ny løsning på.

Nanoscoopene består af en bund af karbon, så en smule aluminium og så til sidst silicium på toppen. Karbon leder ioner relativt dårligt. Aluminium er en lidt bedre leder, men silicium er endnu bedre.

Fordelen med en sådan struktur er, at presset fra det voksede silicium bliver fordelt over flere steder. Man får en gradvis overgang i stedet for at have alt trykket på et punkt, derfor kan batteriet bedre tåle strukturelle ændringer.

Hurtigere opladning

For store apparater, som skal bruge tunge batterier, kan teknologien bedst udnyttes til at få et stort output af strøm, som i for eksempel acceleration eller opbremsning af en bil.

Det vil til gengæld ikke være aktuelt at lade de store batterier hurtigt op igen, da man i så fald skal bruge et strømnet, som kan levere meget mere kraft på kort tid, end det er tilfældet i dag.

Det er imidlertid en mulighed for mindre elektroniske apparater som for eksempel mobiltelefoner.

Batterierne i sådanne apparater har tilpas lav kapacitet til, at man ikke behøver at ændre strømnettet for at det kan levere nok strøm til en hurtig opladning.

For brandbar

Et udsnit af nanomaterialet. Stoffet inden for den blå linje er silicium, derunder er der aluminium og nederst er der karbon. Dette materiale kan tåle meget hurtigere ionbevægelse end nutidens batterimaterialer. (Foto: Rensselaer Polytechnic Institute)

Forestil dig at kunne oplade mobiltelefonen på tre minutter i stedet for en time. Det kan blive virkelighed, hvis nanoscoopmaterialet en dag kan tages i brug. Vi er dog stadig et godt stykke fra den virkelighed, for anoden er ikke den eneste del af batteriet.

»Det, forskerne har gjort, er at lave en tredjedel af et batteri. De har lavet en spændende anode, men de skal stadig bruge en ny katode og elektrolyt, som skal følge med,« siger Ola Nilsen.

Indtil videre findes der ingen katode, som er i stand til at tage imod ionerne så hurtigt som denne anode leverer dem. Elektrolytten skal også forbedres. Sådan som den laves i dag, er den ekstremt brandbar. Og det er ikke så heldigt, hvis man har at gøre med høj fart og megen varme, som tilfældet er med bilkørsel.

Benzintank på 600 kg

Der er også andre problemer knyttet til el-bilbatterier.

De skal ikke bare kunne levere nok kraft hurtigt nok til, at bilen bliver brugbar til andet end søndagskørsel. Det skal også være både kraftigt nok og let nok til at kunne give en tilsvarende rækkevidde som en benzinbil.

»Det er faktisk lettere at lave batterier med større effekt, end det er at lave batterier med en stor nok kapacitet til lange køreture,« siger Ola Nilsen.

»Det er materialerne, som står i vejen for at få de lange køreture til at kunne lade sig gøre. Hvis man har et batteri, som giver bilen tilstrækkelig rækkevidde, så er det også frygteligt tungt,« siger han.

»Og hvem er interesseret i at have en 'benzintank' på 600 kg,« spørger han retorisk.

Er det holdbart nok?

Desuden skal batterierne være billigere og mere stabile. Prisen vil sandsynligvis blive mere spiselig af sig selv, da brændstofpriserne til almindelige biler stiger, når der er mindre olie i omløb. Derudover bliver batterierne billigere, jo flere man laver.

Så er det straks værre med stabiliteten. Her er vi tilbage til det tryk, batterierne udsættes for, når materialerne vokser og skrumper.

De har lavet en spændende anode, men de skal stadig bruge en ny katode og elektrolyt, som skal følge med

- Ola Nilsen

»Den store udfordring er at minimere slitagen. Nutidens batterier kan oplades 500, måske 1.000 eller 2.000 gange. I sammenligning kan et batteri med en anode baseret på titanoksid oplades måske 40.000 gange,« forklarer Ola Nilsen.

»Men på den anden side har det meget lavere spænding,« siger han.

Nanoscoop-batteriet blev testet over 100 opladninger i forbindelse med dette studie. Et kommercielt batteri skal kunne tåle langt flere opladninger end det, og det er netop en af udfordringerne, som forskerne nu er i gang med at løse.

Ola Nilsen tror dog ikke, at nanoscoops er den endelige løsning for silicium-anoder.

»Silicium er et interessant anodemateriale, men det udsættes for utroligt meget pres, og det er svagheden. Jeg tror ikke, at de kan få siliciummet til at tåle så mange opladninger, som det kræver,« siger han.

Små skridt i den rigtige retning

Vi er altså stadig flere år fra en elbil, som både kan køre langt og hurtigt, samtidig med at den er let og billig.

»Men det, som dette studie har gjort, er at foreslå en smidig løsning på et af de områder, som skal forbedres. Og det er det rigtige at gøre,« mener Ola Nilsen.

»Der skal endnu meget til, før elbiler er lige så gode som benzinbiler. Det arbejde alene kommer ikke til at redde verden, men det er et skridt på vejen,« slutter han.

Studiet er offentliggjort i tidsskriftet Nano Letters.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm