Hvordan har batteriet udviklet sig?

Det startede på sin vis med et afhugget frøben, der spjættede.

Det gjorde det, fordi den italienske læge og professor Luigi Galvani i slutningen af 1800-tallet havde eksperimenteret med metaller og frøens indre elektrolytter til at danne en kemisk reaktion, der genererede elektricitet – og altså fik frøens muskler til at trække sig sammen.

Uvidende havde Galvani lavet et slags primitivt frøbatteri.

Nogle år senere inspirerede eksperimenterne Galvanis landsmand fysiker Alessandro Volta til selv at forsøge sig med forskellige metaller og væsker og opdage, at han ved at forbinde disse kunne generere en konstant strøm. Han opfandt, hvad der betegnes som verdens første elektriske batteri, nemlig den såkaldte voltasøjle.

Men hvad skete der så herefter?

Det vil vores læser Tue gerne vide. Han har skrevet ind til Spørg Videnskaben med spørgsmålet: »Hvordan har batterier udviklet sig gennem tiden?«

Det ved om nogen Poul Norby, professor på Institut for Energikonvertering og -lagring ved DTU Energi, og vi har på Spørg Videnskaben derfor ringet professoren op for at aflade ham for hans batterividen.

Hvad er et batteri?

I dag kan man ikke se skoven for bare batterier. De findes overalt: I vores computere, mobiltelefoner, biler, cykler, fjernbetjeninger … Listen er uendeligt lang.

Alligevel har batteriet i sin grundessens ikke ændret sig meget gennem tiden, lyder det indledningsvist fra professoren fra DTU.

Et batteri består af katode (+) og anode (-) i hver sin ende og en form for elektrolyt, enten fast eller flydende, der binder dem sammen. Elektrolytten transporterer så de positive ioner fra anoden til katoden, og i den proces bliver kemisk energi afgivet i et ydre kredsløb som elektricitet. 

Hvis det er et engangsbatteri, mister anoden på et tidspunkt pusten, og batteriet bliver fladt. Hvis batteriet er genopladeligt, kan elektricitet fra eksempelvis en oplader vende kredsløbet, så elektronerne, der nu befinder sig i katoden, sendes retur til anoden. Og kredsløbet starter forfra (se illustration).

Første etaper i batteriets udvikling

Så langt, så godt.

Men hvilke store vendepunkter har der ellers været i batteriets udvikling?

»Hvis man skal lave nogle nedslagspunkter, så var blybatteriet, som kom i 1859, nok det første. For det var både genopladeligt og en stor succes,« siger Poul Norby.

»Det var holdbart og kunne levere meget strøm. Og så er det over 150 år gammelt, men vi bruger det stadigvæk.«

Blandt andet i havetraktorer, bilens startbatterier og nødstrømsanlæg. Selvfølgelig i en forbedret udgave, men princippet i datiden og nutidens blybatterier er det samme, forklarer Poul Norby.

Til gengæld scorer blybatteriet ikke højt på hverken holdbarhed eller energitæthed, altså hvor meget energi batteriet kan lagre per kilo eller liter. Og så er bly noget skidt for miljøet.

Derfor arbejdede forskerne videre på at finde et batteri, der kunne trumfe blybatteriet.

»Næste store skridt er nok nikkel-cadmiumbatteriet, der i 60’erne kommer som et genopladeligt batteri. Men det indeholder jo desværre cadmium, som er frygtelig giftigt. Og i 90’erne kommer nikkel-metal-hydrid-batterier på markedet. Og det er så de to teknologier, der begyndte at dominere i genopladelige apparater af forskellig art.«

De slog det ellers tidligere dominerende blybatteri på blandt andet energitæthed, men bøvlede til gengæld med at holde på energien og hurtig afladning. Men selvom begge typer har tabt terræn på batterimarkedet, findes de også i den dag i dag.

I 1991 bliver et batteri i genopladelig version så kommercielt lanceret og fejer efterhånden de andre fuldstændig af bordet:

Lithium-ion-batteriet.

»Det har både en endnu højere energitæthed end de tidligere og kan designes, så det har en høj effekt-tæthed, så det kan trække meget strøm. Det taber heller ikke ret meget energi, når det står stille (selvafladning, red.), og så holder det mange flere cyklusser. Til gengæld har det en organisk flydende elektrolyt, der gør det mere brændbart. Og så kommer det også med andre problemer,« lyder det fra Poul Norby.

Lithium-ion-batteriet går sin sejrsgang

For selvom lithium-ion-batteriet i dag er et af de allermest anvendte genopladelige batterier i alt fra elbiler, værktøj, telefoner og computere, så sætter det spot på en af batteriindustriens helt store hovedpiner:

Manglen på de kritiske råstoffer.

Som navnet antyder, indeholder et lithium-ion-batteri metallet lithium, som vi egentlig har nok af, men heller ikke så meget, at vi kan lade være med at genbruge det, fordi vi bruger så enormt mange af netop den slags batterier, lyder det fra professoren.

Mere kritisk er det med råstoffet kobolt. Det fungerer ifølge Poul Norby eksemplarisk som katodemateriale i lithium-ion-batterierne, men er problematisk på mange andre måder.

»Både ressourcemæssigt, altså i forhold til hvor meget kobolt vi har, dets giftighed, og måden det udvindes på. Det gælder blandt andet nogle kritisable koboltminer i eksempelvis Congo.«

Her er det blandt andet blevet dokumenteret, hvordan børnearbejdere udvinder kobolt i uregulerede miner uden hjelme, masker eller anden beskyttelse. For ikke at tale om Indonesiens udvinding af metallet nikkel, som også findes i batterierne, der er skadeligt for både naturen og mennesker, eller Chile, hvor udvindingen af lithium bruger løs af landets sparsomme vandressourcer.

Derfor arbejder forskerne i al hast med eksempelvis at nedbringe koboltniveauet i de populære lithium-ion-batterier og med at finde helt andre og effektive alternativer, hvilket du kan læse mere om i denne artikel.

Batteriets hellige gral?

Har lithium-ion-batteriet så ryddet bordet i det store batteriræs?

Nej, jagten på forbedring fortsætter ufortrødent, lyder det fra DTU-forskeren.

»Der bliver forsket i en række forskellige alternativer. For eksempel natrium-batterier, som aldrig vil komme op på samme energitæthed som lithium-ion-batterierne og er meget mindre holdbare, men til gengæld mere sikre.«

Og så er der LFP-batteriet, en type lithium-ion-batteri der også går under navnet jernfosfatbatterier. Et billigt batteri, der bruger jern og fosfor i stedet for nikkel og kobolt og allerede er dominerende i Kina. Men det bruges primært til stationær lagring og til elbiler med lidt kortere rækkevidde, lyder det fra Poul Norby.

Industrien og forskerne har også store forventninger til faststofbatteriet, der har været på vej længe, og som med sin faste frem for flydende elektrolyt sandsynligvis vil være mindre brandfarligt. Og så bliver det forhåbentlig mindre, lettere, mere energitæt og levedygtigt.

Men trods gode historier fra producenterne om, at faststofbatteriet er liiiige på trapperne, er det svært at vide, hvor langt udviklingen egentlig er, lyder det fra batteriforskeren.

Så hvor ville han selv sætte sine penge i kapløbet om batteriets hellige gral?

»Det kommer nok til at blive en løsning, som er en blanding af flere slags. Jeg tror, at lithium-ion-batteriet kommer til at dominere mange år frem, også fordi prisen på det er gået drastisk ned, så det skal nye teknologier kunne konkurrere på,« siger han.

Derfor bliver fremtidens batteri formentlig ikke én slags, men en pallette af forskellige, der brillerer på forskellige måder. Hvis der findes et bredere udbud, kunne det lindre noget af presset på nogle af de mest kritiske råstoffer.

»Der skal nok komme nogle batterier, som er bedre og mindre, men det sker ikke lige pludselig. Vi har taget nogle af de store kvantespring, men der kan sagtens ske mere i batteriudviklingen. For eksempel i teknologier, hvor man kan fordoble eller tredoble energitætheden,« lyder det afslutningsvist fra Poul Norby.

»Men det er ikke nemt. For lithium-ion-batteriet er så frygteligt godt.«

Her på Spørg Videnskaben takker vi Poul Norby for at tage telefonen, da vi ringede. Vi siger også tak til vores læser Tue for at sende sit batterispørgsmål ind til os - der er en Videnskab.dk-T-shirt på vej i din retning.

I en kommende artikel her på Videnskab.dk kan du læse mere om, hvor ’gode’ batterierne er i dag sammenlignet med de allerførste på markedet.