Fremtidens faststofbatterier spås en nøglerolle i energilagring, men teknologien rummer udfordringer. Forskere fra Aalborg Universitet har fundet en lovende løsning ved at udnytte den såkaldte ‘atomare uorden’ i glas.
\ Automatisk oplæsning
Batterier giver mulighed for at bruge den bæredygtige energi på den mest optimale måde. Så hvis vi skal leve op til vores klimamål og begrænse udledningen af CO2, skal vi have nogle større, mere effektive og mere sikre af slagsen.
Derfor er forskerne i fuld færd med at optimere det lithium-ion-batteri, vi bruger overalt i vores samfund i dag, blandt andet i mobiltelefoner og elbiler. Men ingeniører og bilfabrikanter er også i fuld gang med at opfinde et batteri, der både er mere sikkert og endnu bedre.
»Udviklingen går mod faststofbatterier, fordi de kan lagre mere strøm og gøre det (batteriet, red.) sikrere,« siger Morten Mattrup Smedskjær, der er professor på Institut for Kemi og Biovidenskab på Aalborg Universitet, til Videnskab.dk.
Faststofbatterier er undervejs og har været det længe.
Den store forskel på faststofbatterier og lithium-ion-batterier er, at elektrolytten i lithium-ion-batterier er en væske.
Dette vil sandsynligvis betyde, at faststofbatteriet bliver mindre brandfarligt.
Og så bliver faststofbatteriet forhåbentlig mindre, lettere, mere energitæt og levedygtigt.
Sammen med forskere fra Aalborg Universitet har han udgivet et studie i Nature Communications, der ifølge ham kan tage os et skridt tættere på, at »faststofbatterier bliver en realitet i virkeligheden og ikke kun på papiret«.
Koden til at udvikle fremtidens batteri kunne ifølge dem meget vel være glas. En batteriforsker fra DTU, der ikke har deltaget i studiet, ser også muligheder i materialet, men er mere imponeret over, hvordan forskerne har testet deres teori.
Før vi går videre, så lad os lige få på plads, at et batteri består af tre dele:
Elektrolytten forbinder plus og minus ved at transportere elektrisk ladede atomer - også kaldet ioner - fra a til b.
Når bilbatteriet tændes, sendes der positive ioner igennem elektrolytten fra anoden til katoden. Og når batteriet skal lades op, sendes de positive ioner fra katode til anode.
Som udgangspunkt er det samme funktion, uanset om der er tale om nye faststofbatterier eller de lithium-ion-batterier, vi bruger i dag.
»Vi er interesserede i elektrolytten,« siger Morten Mattrup Smedskjær om forskernes primære fokus, når der skal laves faststofbatterier.
Elektrolytten i et faststofbatteri er nemlig fast, hvor det i lithium-ion-batterier er en væske. Væsken har både fordele og ulemper.
En stor ulempe er, at der er en risiko for, at den går i brand. En anden ulempe ved batteriet er, at det formentlig har nået grænsen for, hvor meget mere det kan optimeres.
En stor fordel er til gengæld, at den væskefyldte elektrolyt i lithium-ion-batteriet kan transportere ioner hurtigt. Den kan derfor lade og bruge elektricitet meget effektivt. Det kan faststofbatterier ikke endnu, forklarer Morten Mattrup Smedskjær.
Ionerne bruger som udgangspunkt længere tid i et faststofbatteri på at skulle hoppe fra sted til sted, inden det lander i anoden eller katoden, forklarer Morten Mattrup Smedskjær. De møder dermed mere modstand, end hvis ionerne kunne ledes mellem anode og katode i væske.
Morten Mattrup Smedskjær og kollegaernes bud på en løsning på det problem er at skabe en såkaldt 'uorden på atomart niveau' i faststofbatteriets elektrolyt. En løsning, de ikke står alene med, da den er blevet testet før.
Atomar orden og uorden har noget at gøre med, hvordan atomer og ioner er placeret i batteriet.
Hvis der er meget orden på atomart niveau i et batteri, kan ionerne hoppe på nogle udvalgte ruter til enten katode eller anode. Det går for så vidt hurtigt, men ionerne kan ikke bevæge sig i alle dele af elektrolytten.
Hvis der i stedet er brugt for eksempel glas i batteriet, opstår der uorden på atomart niveau. Glas består nemlig af en masse tunneler og hulrum mellem atomerne. Den struktur giver ionerne mulighed for at udnytte de tomrum, der er i batteriet, til at transportere sig - og dermed kan transporten af ioner bevæge sig i en større del af elektrolytten.
Forskerholdet har undersøgt, hvorfor denne uorden øger batteriets evne til at lede ioner. Og de har måske fundet den rette mængde uorden, der sørger for højest mulig hastighed.
»Det er en erkendelse af, at det ikke bare sådan, at man skal have meget uorden eller meget orden,« siger Morten Mattrup Smedskjær.
Forskerne foreslår i stedet en kombination af orden og uorden som løsningsmodel for elektrolytten i fremtiden faststofbatteri.
Studiet handler altså primært om, hvordan man kan designe batterier helt ned på atomart niveau, uafhængigt af den kemiske sammensætning i batteriet. Der forskes også en del i at bruge nye materialer i faststofbatterier, da der er flere udfordringer forbundet med at bruge lithium - men det er ikke studiets fokus.
Morten Mattrup Smedskjær forsker til dagligt i glasmaterialer. Det er derfor hans indgang til faststofbatterierne.
Glas skal ikke forstås som det materiale, vi kender fra vinduer og flaske. Glas er en tilstand af materialer. Ligesom et materiale kan være gas, væske eller krystallinsk (fast), kan det i princippet også være i en glastilstand.
Hvis man designer en elektrolyt til et faststofbatteri med en kombination af materialer i glas og krystallinsk form, har den den bedste blanding af uorden og orden til at lede ioner ifølge forskerholdet.
Det er Mohamad Khoshkalam, der er postdoc på DTU og selv forsker i faststofbatterier, enig i. Han er positivt overrasket over, hvordan forskerne bag det nye studie har arbejdet med glas, som også kaldes amorfe materialer, og ser et stort potentiale i at bruge dem på den måde.
»Det er meget interessant. Vi har også selv forsket i at bruge de her amorfe materialer,« siger Mohamad Khoshkalam til Videnskab.dk.
Det er dog ikke så overraskende for ham, at man kan bruge glas, eller at det er en fordel at have en balance mellem uorden og orden i faststofbatterier for at kunne lede ionerne bedre.
Studiet er grundforskning - det vil sige forskning med henblik på at få ny viden og indsigt uden primært at sigte på bestemte praktiske mål - slår Morten Mattrup Smedskjær fast.
Forskergruppen har testet teorien bag det nye batteri ved hjælp af computersimuleringer og kunstig intelligens. Der er altså ikke tale om et fysisk batteri, hvor de har tilføjet strøm og kigget måbende til.
»Vi ville gerne forstå mekanismerne bag for at kunne designe batteriet bedre,« siger han.
Måden, de har gjort det på, er Mohamad Khoshkalam meget imponeret over. De har lavet en model til deres maskinlæring, som, han mener, er et godt bidrag til udviklingen af faststofbatterier og kan være inspiration for andre forskere.
Det er svært at finde ud af, hvordan atomerne reagerer i de batteridesigns, forskerne tester. Men den simulering, som forskerne fra Aalborg Universitet har præsteret, giver mulighed for at teste forskellige designs og elementer i batteriet mere præcist, end hvad tilfældet har været før.
»De har åbnet en dør, som i fremtiden kan få stor betydning,« siger han.
Hvor meget studiet har hjulpet til med at fremskynde processen, og hvornår vi kan begynde at købe elbiler med faststofbatterier, er stadig meget usikkert. De nye batterier skal i første omgang kunne udkonkurrere de sejrende lithiumbatterier med deres væskefyldte elektrolytter. Og det kan tage flere år.
Morten Mattrup Smedskjær vil i næste forskningsprojekt fokusere på at bruge andre materialer end lithium, svovl og fosfat i et faststofbatteri. Det kunne være et oxygenbaseret batteri. Her er udfordringen nemlig, at transporten af ioner typisk er langsom.
»Det vil være interessant at undersøge om den rette balance af uorden og orden også kan løse dette problem,« slutter Morten Mattrup Smedskjær.
I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.
Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.
Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?
Du kan få mange gode tips og råd i vores Red Verden-nyhedsbrev og i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.
