Fornybar energi fra sol og vind blir stadig viktigere i ?rene som kommer. Men den fornybare energien har dessverre en stor ulempe. Den m? som oftest tas vare p? f?r den kan brukes.
– Du skal ikke v?re avhengig av at solen skinner eller at vinden bl?ser n?r du kommer hjem og skal lage middag, sette p? klesvasken eller lade elbilen din. Det er derfor helt n?dvendig ? kunne lagre denne fornybare str?mmen i batterier, poengterer stipendiat Halvor H?en Hval p? Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Han forsker p? fremtidens batterier. De skal bli b?de mer milj?vennlige og mer b?rekraftige. Det er viktig. Mange av batteriene som brukes i dag, best?r av stoffer som ikke er bra for milj?et. Det er et aldri s? lite paradoks i det gr?nne skiftet.
– Batteriene som skal lagre den gr?nne energien, er i seg selv ikke helt gr?nne.
Batterier best?r av metaller. Det kreves en del energi for ? hente ut og bearbeide metall fra gruver.
En av svakhetene er dagens valg av r?stoffer.
Ut med kobolt
Selv om det har skjedd mye i batteriutviklingen de siste ?rene, er det fortsatt mye kobolt i dagens elbil-batterier. Det er trippel uheldig. Kobolt er b?de et dyrt og et sjeldent mineral. Det er ikke nok kobolt til fremtidens batteribehov. Dessuten er de st?rste koboltforekomstene i Kongo. Der er det mye barnearbeid.
Dagens batterier har enda en svakhet. De veier altfor mye. For ? forst? hvorfor m? vi dra en rask parallell til gammeldagse biler. Bensinmotorer krever nesten to kilo oksygen for hver kilo bensin som brukes. Oksygenet blir fanget opp underveis. Du beh?ver alts? ikke frakte med deg oksygenet i bensinbiler.
– I batterier m? du frakte med deg alt oksygenet i form av oksider. Oksider veier mye. Det blir som om du m?tte ta med deg hele bokhyllen din hvis du skulle levere noen b?ker.
Ingeni?rkunsten har dog tatt seg opp de siste ?rene.
– N? er batteriene blitt s? gode at det gir mer mening ? frakte dem rundt. Fordelen med batterier er at de er sv?rt effektive. Med effektivitet menes hvor mye av energien fra oppladingen som du f?r tilbake n?r de bruker batteriet.
– I dag f?r vi ut nesten like mye energi som man legger inn i batteriet. Batterier er derfor langt mer energieffektive enn hydrogen og bensin. Der g?r mye av energien tapt som varme.
Litium-dilemma
Et av de vanligste mineraler i dagens batterier er litium. Litium har uheldigvis ogs? sine ulemper.
– Mange er bekymret for at det er for lite litium p? Jorda. Det er ikke problemet. Bare i havet finnes det mer enn nok litium til ? dekke behovet for alle batterier i elbiler. Uheldigvis er konsentrasjonen s? lav at det er sv?rt energikrevende ? hente ut litium fra havet.
Det er vanskelig ? utvinne litium.
– Hvis alle batterier skal best? av litium, m? man ikke g? i den samme fellen som med kobolt.
I dag utvinnes mye litium fra store saltsj?er i Latin-Amerika.
– Man m? ha kontroll p? hvordan man utvinner litium, slik at det ikke skal g? ut over lokalsamfunnet.
Halvor H?en Hval mener derfor at det er viktig ? finne et stoff som kan erstatte litium. En mulighet er natrium. Det er ingen mangel p? natrium. Som alle fra skoletiden husker: Natrium finnes i store konsentrasjoner i havet og kan utvinnes fra havsalt. Men det er likevel langt frem til natriumbatterier i stor skala.
I dag er det vanlig ? bruke litium i batterier i laptop og biler. Batteriene i mobiltelefoner inneholder stort sett litium og kobolt. Noen pr?ver ? bytte ut kobolt med nikkel. Det er bedre, men nikkel er heller ikke s? milj?vennlig.
Bytter ut kobolt med mangan
Halvor H?en Hval forsker p? en helt ny batteritype som inneholder mindre litium, mindre nikkel og ingen kobolt. Han har endret p? den kjemiske strukturen og byttet ut kobolten med det harde metallet mangan. Det er ikke dumt. Det er mye lettere ? f? tak i mangan.
– Med mangan kan batteriene bli langt mer b?rekraftige.
Og her kommer enda et pluss. Batteriene til Halvor H?en Hval kan faktisk bli lettere enn dagens batterier.
– Det er nesten for godt til ? v?re sant.
Men all glede har sin bismak.
– Vi har noen utfordringer, beklager batteriforskeren.
Et optimalt batteri skal b?de ha h?y kapasitet og h?y spenning. Med h?y kapasitet menes at mange elektroner skal kunne dyttes frem og tilbake. H?y spenning betyr at hvert elektron skal ha s? mye energi som mulig. De nye batteriene til H?en Hval har h?yere spenning enn dagens batterier. Det betyr at disse batteriene har mye energi. Det h?res kanskje bra ut, men den h?ye spenningen kan skape problemer.
Batteri p? 1-2-3
For ? skj?nne hvorfor m? vi vie noen sekunder p? ? forst? hvordan et batteri er bygd opp. Alle batterier er satt sammen av de tre delene anode, katode og elektrolytt.
Str?mmen skapes n?r elektroner forflytter seg fra anoden til katoden. Samtidig vil det g? en str?m av ioner, det vil si ladete, positive litium-atomer, direkte fra anoden til katoden via elektrolytten. N?r batteriet lades opp, skjer det omvendte. Da sendes elektroner og ioner fra katoden til anoden.
Hele poenget med elektrolytten er ? skille anoden fra katoden. Uten elektrolytten ville alle elektronene ha frest direkte fra anoden til katoden. Da hadde batteriet kortsluttet. Poenget er ? lage elektrolytten med et materiale som er d?rlig til ? lede str?m – alts? elektroner – men samtidig godt nok til ? lede ioner.
Uheldig spenning
Og n? som du vet hvordan et batteri fungerer, kan vi komme inn p? hvorfor det er uheldig at spenningen er for h?y. For h?y spenning kan f?re til at katoden skader elektrolytten. Da kan batteriet g? i stykker.
En mulighet er ? legge p? et tynt belegg p? katoden. Det er noen som gj?r dette. Belegget m? dog v?re s? tynt at litium-ionene kommer igjennom.
– Og det er n? det morsomme begynner, forteller forskeren.
Finjusterer blandingen
Han leter etter den optimale sammensetningen av metallene i katoden for at den skal v?re effektiv, samtidig som den ikke skal ?delegge elektrolytten.
Utgangspunktet hans er at katoden skal inneholde én del litium, halvannen del mangan, en halv del nikkel og fire deler oksygen.
– Jeg justerer denne blandingen ved ? pr?ve meg frem med sm? endringer av mengden mangan og nikkel.
Han unders?ker spesielt om det er mulig ? bytte ut mer nikkel med mangan.
– Da blir batteriet mer b?rekraftig.
Her gj?r han to unders?kelser. Den ene sjekken hans er hvordan de ulike sammensetningene av mangan og nikkel p?virker elektrolytten. Elektrolytter er flytende. Hvis elektrolytten skades, dannes det gass. Det er ikke heldig. Han pr?ver derfor ? finne frem til en sammensetning som ikke f?rer til slike uheldige, kjemiske reaksjoner i elektrolytten.
Ut med urenhetene!
Det andre H?en Hval unders?ker, er hvordan det er mulig ? lage den perfekte katoden best mulig. Da gjelder det ? lage en katode med f?rrest mulig urenheter.
Du lurer sikkert p? hva han mener med urenheter. I omr?der med urenheter binder mangan og nikkel seg med litium p? en annen m?te enn ?nsket.
Hele poenget er at litium-ioner skal kunne bevege seg fritt inn og ut av katoden n?r batteriet brukes eller lades opp. Hvis den kjemiske strukturen mellom disse stoffene er bygd opp litt annerledes, vil ikke litium-ionene kunne bevege seg fritt. Da kan det skje at litiumet henger fast, og da blir batteriet d?rligere.
– Selv om batteriene bare best?r av én til to prosent urenheter i katoden, vil denne lille prosenten med urenheter bety mye n?r de skal masseproduseres.
I dagens batterier er det forresten ikke mulig ? t?mme katoden helt for litium. Strukturen i katoden trenger alltid litt litium for at den ikke skal kollapse. Ellers ?delegges batteriet. Og da er det p? tide med en gledelig nyhet:
– I batteriet mitt er det i prinsippet mulig ? t?mme katoden for litium-ioner. Vi trenger ikke ekstra litium bare for ? holde korthuset p? plass. Da vil batteriene mine bli atskillig bedre enn dem vi har i dag.
Fransk r?ntgensjekk
Det er ingen enkel sak ? finne den optimale blandingen av metaller. Metall[1]ene m? b?de blandes sammen p? en bestemt m?te og varmebehandles ved helt spesielle temperaturer.
Sp?rsm?let er hvilken temperatur som skaper den rette krystallstrukturen uten urenheter. For ? unders?ke dette har Halvor H?en Hval sendt en rekke pr?ver til den europeiske synkrotronen i Grenoble. Dette er et sv?rt anlegg der forskerne bruker r?ntgenstr?ler til ? m?le sammensetningen og oppbygningen av den kjemiske strukturen i stoffer. Energien i r?ntgenstr?lene er 100 milliarder ganger kraftigere enn p? legevakten.
– Poenget mitt er ? finne den optimale temperaturen. Rundt 700 grader skjer det spennende ting.
Selv om anlegget i Grenoble er formidabelt stort, er materialpr?vene sv?rt sm?. H?en Hval sender ned klumper som bare er en halv millimeter tynne. Det holder.
– For ? oppn? noe stort, jobber jeg i det sm?.
N?r r?ntgenstr?lene treffer materialet hans, sprer de seg.
– Da f?r vi vite avstanden mellom atomene.
N?r stoffet varmes opp, utvides det. Da blir det st?rre og st?rre avstand mellom atomene.
– Ved en helt bestemt temperatur endrer strukturen seg. Da kan jeg se hvor mange urenheter jeg f?r.
Det hender at det dukker opp omr?der i materialet der det bare er nikkel og litium, men der manganen mangler.
– Jeg kan ikke styre hvordan metallene binder seg til hverandre. Dette henger sammen med termodynamikken (red: varmel?re). S? hvordan katoden blir, er ene og alene avhengig av temperaturen.
Poenget hans er ? finne den optimale temperaturen for ? komme frem til den beste m?ten ? blande sammen metallene p? uten at det dannes for mange urenheter.
Det som er s? vanskelig, er at nikkel og mangan kjemisk sett er ganske like. De har nesten like mange elektroner. Det er forklaringen p? hvorfor det er krevende ? skille disse to stoffene med vanlige r?ntgenunders?kelser og at H?en Hval er n?dt til ? dra til det enorme synkrotron-anlegget i Gre[1]noble for ? avsl?re katodens hemmeligheter.
N?r batteriforskeren har funnet b?de den optimale, kjemiske blandingen og den optimale temperaturen, er tiden kommet for ? studere materialet i vaskeekte batterier. Batteriet hans kan bli spesielt egnet for fremtidige elbiler og fremtidens elektriske ferger.
– Ettersom de nye batteriene mine har h?yere spenning enn dagens batterier, beh?ver vi ikke koble sammen like mange batterier for ? f? den spenningen vi trenger. Det betyr at vi i fremtiden kan klare oss med f?rre battericeller i batteripakkene.