– Hvorfor bruker man kobolt og nikkel i dagens litiumionebatterier?
– Et batteri består i hovedsak av katode, anode og en separator med en elektrolytt mellom disse. Katoden er vanligvis laget av et oksidmateriale som inneholder litium og kobolt, nikkel og/eller mangan. De tre siste elementene kalles overgangsmetaller og kan endre oksidasjonstrinn som er nødvendig når litium går inn og ut av katoden (ved henholdsvis utladning og oppladning av batteriet) for å beholde ladningsbalansen. Oksidmaterialene har også en krystallstruktur som gjør det mulig for litium å gå inn og ut av mellomrommene i krystallen.
– Hvorfor er det ønskelig å bytte ut nikkel og kobolt?
– En betydelig del av kostnadene til et litium-ionebatteri er relatert til katoden og spesielt tungmetallene nikkel og kobolt. I tillegg til den høye kostnaden er disse elementene helse- og miljøskadelige. Nye komponenter som bruker mer miljøvennlige materialer som det finnes mye av i naturen, vil kunne redusere kostnadene på batteriene. Litiumjernfosfat (LiFePO4), som produseres kommersielt, er et eksempel i riktig retning.
– På Sintef og NTNU jobber vi med fremstilling av silikatmaterialer som et mulig nytt katodemateriale som kan være mer stabilt og sikrere enn LiFePO4. Selv om materialet er kjent, er det mange utfordringer som må løses – blant annet ledningsevne, stabilitet og levetid.
Les også: Her får de hurtigladere for hver 50. kilometer
– Det er viktig å poengtere at «billigere og bedre» er avhengig av bruken av batteriene. Man bør for eksempel velge forskjellige litium-ionebatterier til drillen når du skal lage terrasse enn til telefonen. Generelt kan batteriene bli billigere ved å velge billige råmaterialer og produksjonsmetoder, og bedre ved å ta i bruk andre materialer. I et prosjekt, støttet av Norges forskningsråd, studerer NTNU og Sintef hvordan billige syntesemetoder og bruk av billige råmaterialer, som Norge har mye av, vil innvirke på batteriets egenskaper.
– I tillegg bruker vi nanoteknologi for å lage bedre batterier. Kanskje kan disse to veiene møtes slik at vi kan fremstille enda billigere og bedre batterier. I tillegg jobber den samme gruppen med å bytte ut litium med magnesium og fremstille magnesium-ionebatterier også basert på silikatmaterialer.
Les også: Slik ser nye Leaf ut på innsiden
– Hvorfor trenger disse batteriene å lades sjeldnere?
– Litium-ionebatterier har både høyere spesifikk energi og effekttetthet enn andre typer batterier som for eksempel blybatterier og nikkel-metallhydridbatterier. Litium-ionebatteriene klarer altså å lagre mer energi i mindre masse og volum, og de kan også levere og ta imot den energien fortere, noe som er viktig for f.eks. elektriske biler og bærbar elektronikk. Det er derfor ikke behov for å lade batteriene så ofte som batterier med lavere energitetthet.
– Hvordan kan man øke mengde energi batteriet leverer?
– Energien batteriet kan levere kan økes enten ved å øke spenningen til batteriet (ved å endre katodematerialet) eller ved å øke mengden litium som kan gå inn og ut av anoden eller katoden. Siden katoden per nå har mindre plass til litium enn anoden, er det viktig å øke kapasiteten til katoden. For å få dette til, må mer litium kunne fraktes inn og ut av katodemateriale som enten er lett (spesifikk energi) eller lite i volum (energitetthet).
– I ovennevnte prosjekt studerer vi også til hvilken grad vi kan trekke ut to litiumioner fra silikatstrukturen (Li2Fe (Mn) SiO4) for å øke kapasiteten ytterligere.
Les også:
Tesla kan bytte batteri på 90 sekunder
