Udfordringer holder i kø for fremtidens superbatteri

Selv dagens bedste lithium-ion batterier kan ikke lagre nok energi til at give den distanceudholdenhed elbiler har brug for.

Hvis et sådant batteri skulle kunne give lige så meget energi, som en fuld tank benzin, ville det veje over 1000 kilo.

Bilen Tesla Roadster viser rigtignok, at man kan bygge en elbil, der kører 400 kilometer på en opladning. Men det koster.

»Batterierne i Tesla Roadster er en af de dyreste dele i bilen. Det består stort set af sammenkoblede almindelige laptop-batterier,« fortæller Tejs Vegge.

Han er en seniorforsker på Danmarks Tekniske Universitet, og leder arbejdet med udviklingen af de nye lithium-luft-batterier ved Afdeling for Materialeforskning, Risø DTU.

Han fortæller også, at Tesla Roadsters distanceudholdenhed bliver lavere, hvis man kører lige så sportsligt, som reklamen for den indbyder til.

»Til bytransport kan nutidens lithium-ion-batterier godt bruges. Men til de lange strækninger og tunge træk, som for eksempel godstransporter, er der behov for nye typer af batterier,« siger han.

Enkel reaktion

Lithium-luft-batterierne skal gerne kunne lagre nok energi til at give samme rækkevidde som en fuld tank, uden at veje mere. Teknologien er let at forstå, men svær at lave.

Udgangspunktet er alkalimetallet lithium. Det er sølvblankt og glinsende, og lettere end nogen andre metaller.

Lithium er så blødt, at det kan skæres over med en kniv, og det reagerer hurtigt med andre stoffer.

I lithium-ion-batterier, som de er i dag, er de kemiske reaktioner mere komplekse og vanskelige at forstå, men i lithium-luft-batteriet er reaktionen enkel: Lithium reagerer med oxygen.

»Denne reaktion har to fordele: Den første er, at den skaber meget energi. Den anden er, at oxygen kan tages fra luften, som derfor ikke behøver at være en del af batteriet som udgangspunkt,« forklarer Vegge.

Batteriet giver altså meget energi og vejer lidt.

Bygget til landevejen, med andre ord. Men selv om princippet er enkelt, er virkeligheden mere genstridig end som så.

Udfordringer i kø

»Et af de største problemer, vi arbejder på at løse, er energitabet ved opladning,« fortæller Vegge.

»I øjeblikket går op til 40 procent af den elektriske energi tabt under opladning. Det er alt for meget. Forskere forsøger at reducere tabet til 10 procent, som det er i lithium-ion-batterier i dag,« siger han.

Den høje overspænding, som opladningen kræver, kan også beskadige elektrolytten i batteriet. Det er de stoffer, der tillader at lithium-ionerne bevæger sig mellem elektroderne under brug og opladning. (Se figur)

Op- og afladning skal også kunne gøres hurtigere. Det kan opnås ved hjælp af katalysatorer, som får kemiske reaktioner til at gå hurtigere.

»Vi er på udkig efter nye katalysatorer. Måske skal vi bruge to forskellige, én ved afladning under drift og én til opladning,« siger Vegge.

Luft i porerne

Et andet stort problem er, at strømproduktionen er ganske lille per fladeenhed i batteriet. Reaktionen skal finde sted på store overfladearealer. Det er den eneste måde at gøre strømstyrken stor nok til at drive sådan en bil på.

»En måde at få en stor flade ind i en lille volumen, er ved at lave et porøst materiale,« fortæller Vegge.

I dag bruges porøst kul i elektroden, siden lithium reagerer med oxygen. Men det porøse materiale i sig selv skaber også sine egne problemer.

»Når lithium reagerer med oxygen, dannes lithiumperoxid. Dette stof kan stoppe porerne i det porøse kul. Desuden leder det ikke strøm. Dermed går reaktionerne langsommere, og der produceres mindre strøm.«

Batterierne bliver også tungere i takt med at lithiumet binder sig til oxygenet i luften ved reaktionen. Det giver bilen mere vægt at slæbe på, og giver ekstra energitab.

Tåler ikke vand

Endnu et problem er vanddamp i luften. Lithium elsker vand. Det reagerer let med vand, og udvikler brandfarlig hydrogen, når det gør det.

Derfor er de eksisterende lithium-ion batterier vandtæt indkapslet. Kommer der vand til, opstår der nemlig eksplosionsfare.

»Prototyper af lithium-luft-batteri kører på ren, tør oxygen i laboratoriet. Men i almindelig luft er der vanddamp i større eller mindre mængder,« fortæller Vegge.

»Det er også et problem, at luften kun indeholder omkring 21 procent oxygen. Resten er stort set nitrogen. Det betyder, at reaktionen er langsommere end i ren oxygen,« understreger han.

Først mindre elektronik

På grund af alle disse problemer tror Vegge, at de første industrianvendelser af lithium-batterier ikke bliver i biler. Her er kravene til stor strømstyrke for høje i første omgang.

»Specielle applikationer med pladskrav og lav strømstyrke over en lang tid vil muligvis stå først i køen til at drage fordel af lithium-batterierne,« siger han.

I 2009 startede IBM et forskningsprojekt i sit forskningscenter, Almadén, i Californien, kaldet Battery 500.

Computergiganten modtager penge fra det amerikanske energidepartement til at udvikle denne lovende teknologi.

»Vi arbejder med IBM gennem Stanford University,« fortæller Vegge.

Anden vigtig forskning udføres ved det halvstatslige Argonne National Laboratory og det jordskælvsramte National Institute of Advanced Industrial Science and Technology i Japan.

»I Japan forskes der også meget i udviklingen af nye elektrolytter. Der findes også franske, tyske og svenske forskergrupper, der er langt fremme,« siger Vegge.

Nanoteknologi og datamodeller

Meget af forskningen indebærer computermodellering af, hvordan atomer reagerer med hinanden.

Nanoteknologi bliver en vigtig del i det at designe batteriet, så reaktionerne kan blive så effektive som muligt.

IBM-projektet sigter mod at udvikle et brugbart batteri i løbet af de næste tre år. Men det kan stadig tage mange år, før batterierne er klar til landevejen.

»De første lithium-batterier vil være et stykke fra den teoretiske ydelsesgrænse. Men potentielt vil de kunne konkurrere med energitætheden i benzin,« fortætter Vegge.

En typisk benzin- eller dieselmotor sløser nemlig omkring 70 procent af energien i brændstoffet væk til varme. Kun 30 procent bliver til fremdrift.

»En el-motor omsætter derimod omkring 90 procent af energien i batteriet til fremdrift. Skulle de første batterier have en ydeevne under det teoretisk opnåelige, har de altså stadig en fordel i forhold til benzin eller diesel, specielt hvis elektriciteten er fra vedvarende kilder,« siger Vegge.

(fra forskning.no. Oversat af Mette Damsgaard)