Nye superlette lithium-luft-batterier kan være et gennembrud
Flere af lithium-luft-batteriernes problemer er blevet løst. Det potentielle gennembrud kan give elbilerne samme rækkevidde som benzindrevne biler.

Nye og lettere batterier kan give elbilerne lige så stor rækkevidde som benzindrevne biler. Dansk forsker mener, at den nye lithium-luft-batteri-prototype måske er et af de gennembrud, som denne batteritype har ventet på. (Foto: Shutterstock)

En gruppe forskere fra Storbritannien, Kina og Israel har produceret et lithium-luft-batteri, som kan løse flere af de problemer, som nutidens lithium-ion batterier har lidt under.

Når batterierne er klar til at blive markedsført, kan de give elbilerne et ordenligt skub fremad.

Lithium-luft-batterier vil være meget lettere end de lithium-ion-batterier, der sidder i elbilerne i dag.

Dermed kan de konkurrere i rækkevidde med benzin- og dieseldrevne biler - målt ud fra energimængde og batteriets vægt.

»Det kan meget vel vise sig at være et af de gennembrud, som lithium-luft-batterierne har ventet på,« fortæller danske Poul Norby i en mail til forskning.no.

Lithium-luft-batteriteknologien kan få nyt fokus

Poul Norby er seniorforsker ved DTU energi, Institut for Energikonvertering og -lagring. Sammen med sine kollegaer har han forsket i netop denne batteritype.

»Alt i alt kan det godt være en af de meget vigtige artikler, som bringer et nyt og intensivt fokus på lithium-luft-batteriteknologien,« skriver han om undersøgelsen, der er publiceret i tidsskriftet Science.

Norby tager alligevel forbehold for, at der skal flere undersøgelser til, før alle reaktionsmekanismerne er udforsket tilstrækkeligt og for at undersøge, hvordan batteriet opfører sig over længere tid.

Batterierne benytter ilt fra luften

Hvorfor er lithium-luft-batterierne så lette? Årsagen ligger i luften - helt bogstavelig talt. Det er oxygen fra luften, som bruges til de kemiske reaktioner i den ene - positivt ladede - elektrode.

I modsætning til traditionelle lithium-ion-batterier, som bruger et metaloxid til den positive elektrode, bruger lithium-luft-batterierne kulstof, som reagerer med luften.

Til gengæld bliver lithium-ion-batteriet tungere og tungere, som oxygen bindes i reaktionerne og under brug samler sig i batteriet.

Store porer giver stor overflade

Men selvom lithium-luft-batterierne er forholdsvis lette, har de tunge tekniske problemer stået i kø. Nu er nogle af de vigtigste måske løst.

Et problem har været, at reaktionen skal foregå på store overflader. Først da er der tilstrækkeligt med lithium- og oxygenatomer, der reagerer. Og først da yder batterierne strøm nok.

Der findes en måde at skabe en stor overflade på meget lidt plads: Man bruger porøst stof. Så kan oxygen fra luften cirkulere og reagere i porernes kroge.

Porerne i det nye batteri er desuden ekstra store. Dermed skabes der også god plads i plus-elektroden. Den kan tage imod krystallerne, som dannes, når lithium reagerer med oxygen.

Kemisk reaktion skaber nyt slutprodukt

Et andet problem er produkterne fra de kemiske reaktioner under afladning. De kan tilstoppe porerne.

Den nye udgave af lithium-luft-batteriet lader oxygen fra luften reagere med lithium og danne lithiumhydroxid (LiOH). Under opladning kan denne reaktion reverseres, så lithium og oxygen frigøres igen. Det sker både hurtigere og mere effektivt i den nye version. (Foto: T. Liu/C. Grey/G. Bocchetti)

Siden de ikke leder elektrisk strøm, kan de standse reaktioner og strømførelse. Det samme gælder for uønskede biprodukter.

Forskerne har løst problemet ved at bruge en anden type reaktion og tilføje et stof, som fungerer lidt som en katalysator. Slutproduktet er ikke en binding af lithium og oxygen som i andre lignende batterier.

I stedet er slutproduktet en binding af lithium, hydrogen og oxygen - lithiumhydroxid.

Slutproduktet føres væk som et opløst stof

Artiklen i Science beskriver, hvordan dette stof nærmest vokser som kronblade - tynde, porøse flager - ud fra porerne i elektroden.

»Her ender slutproduktet ikke bare som en belægning. Det transporteres væk fra elektroden som et opløst stof,« lyder det fra Norby.

Dermed forsegles reaktionsfladen ikke igen, og reaktionerne kan fortsætte længere. Kapaciteten øges. Når batteriet oplades, forekommer der en reversibel reaktion. Lithium frigøres igen, klar til brug.

»Dannelsen og dekomponeringen af lithiumhydroxid, som et reaktionsprodukt i en reversibel reaktion uden større tab af energi, er spændende,« kommenterer Poul Norby.

Mindre energitab ved opladning

Et tredje problem har været opladningen. Man var nødt til at sende meget højere spænding - og dermed mere energi ind i lithium-luft-batteriet - end man fik ud. Det førte til et stort tab af energi.

Hvorfor skulle der en højere spænding til? Det ved forskerne faktisk ikke helt med sikkerhed. Norby og hans kollegaer har foretaget beregninger, som viser, at der ikke er en teknisk årsag til behovet for så høj en spænding.

Det er dog alligevel sikkert, at det nye stof - lithiumhydroxid - reagerer meget hurtigere, når det er opløst - især når forskerne bruger særlige tilsætningsstoffer.

Ifølge artiklen i tidsskriftet Science er energitabet ved opladning næsten helt forsvundet.

Det nye batteri tåler vand

Et fjerde problem har været, at batteriet ikke tåler vanddampe i luften. Lithium reagerer let med vand. Dermed forsvinder en del af lithiumet. Reaktionen lagrer også hydrogengas, som kan skade elektroden. Der er flere uønskede bivirkninger ved denne reaktion.

Det nye lithium-luft-batteri tåler derimod vanddampe. De forsøg, forskerne foretog, viste, at reaktionerne ikke blev påvirkede.

I artiklen i Science beskriver forskerne alle ændringerne som et samspil. Samspillet forbedrer både batteriets kapacitet og opladning.

© forskning.no Oversat af Stephanie Lammers-Clark

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om Goliath-frøen, som du kan se på billedet herunder.