En utfordring med enheter som bruker litiumionbatterier, er at ytelsen kan bli redusert i kulda. Det gjelder enten det er snakk om biler eller mobiler.
Årsaken er at elektrolytten i batteriets celler endrer karakter når den blir kaldere. Den blir mer viskøs, og gjør at det enkelt sagt blir det vanskeligere for ioner å bevege seg i elektrolytten.
Resultatet er at den indre motstanden i cellen går opp, og at det i praksis blir mindre energi tilgjengelig. Det er en erfaring mange elbilister har gjort seg når vintertemperaturene kommer krypende.
Det er en egenskap som gjør at standard litiumionbatterier ikke uten videre kan brukes i områder hvor temperaturen er svært lav.
Norske Graphene Batteries AS har utviklet en løsning som kan komme til å løse dette problemet. De har funnet en membran som tillater bruk av en elektrolytt som kan brukes i temperaturer ned mot 50 kuldegrader.
- Ny teknologi: I 2022 skal Toyota slippe elbiler som «kan kjøre mye lengre og lades opp på noen få minutter»
Skal fungere like bra
Samtidig kan batterier basert på teknologien fungere som et hvilket som helst annet litiumionbatteri.
Altså kan resultatet bli for eksempel elbiler som yter like godt om sommeren som om vinteren, droner som flyr lenger i lave temperaturer, eller til industrielle operasjoner i Arktis.
Ahmet Oguz Tezel i Graphene Batteries forklarer at utfordringen har vært at elektrolytten som kan brukes ved lave temperaturer ikke er kompatibel med grafittanoder, som brukes i alle kommersielt tilgjengelige batterier i dag.
– Med dagens design og elektrode- og elektrolyttsystem, er batteriene beregnet for bruk ned til 20 kuldegrader. Vi prøver å erstatte elektrolytten med en som har en lignende kjemi, men som har bredere temperaturrekkevidde, for å forsyne enheter i ekstreme temperaturer som i arktiske områder, til bruk i rommet, sier Tezel.
Han sier mekanikken bak er svært enkel. Det er bare å separere denne elektrolytten fra elektrodene som i utgangspunktet ikke er kompatibel med den.
– Det som skjer når vi bruker denne elektrolytten, er at grafitten i anoden blir ødelagt. Samtidig ønsker vi ikke å måtte erstatte grafitt, ettersom grafitt har høy energitetthet sammenlignet med andre praktisk tilgjengelige materialer, sier han.
- Les også: Hydrogen og batterier trenger ikke være enten eller. Kanskje er den ultimate løsningen hybrid
Belegg beskytter anoden
Løsningen er å dekke anoden med et tynt belegg, som selektivt tillater at ioner transporteres gjennom, uten at andre reaksjoner settes i gang, og dermed beskytter grafitten.
Det er dette belegget Graphene Batteries utvikler. Elektrolytten har vært kjent i litteraturen siden 1960-tallet, men på grunn av problemene den skaper sammen med grafitt har den ikke vært i bruk, forklarer Tezel.
– Belegget er patetsøkt, og er laget av en kombinasjon av forskjellige organiske og inorganiske komponenter, blant annet litium. Før cellen settes sammen lager vi belegget på grafitten ex situ, sier han.
Eksempel på en komponent i dagens litiumionebatterier som i motsetning lages in situ er det såkalte SEI-laget, som dannes når elektrolytt kommer i kontakt med elektrolytt, og beskytter elektroden. Men dette fungerer ikke med lavtemperaturelektrolytten.
Siden løsningen ikke krever noen endring i de aktive materialene, endres ikke kapasitet, energitetthet eller spenning.
– Vi begynte utviklingen ved NTNU i 2012 i doktorgradsarbeidet mitt. Så fortsatte jeg i Zürich, og kom tilbake hit og ble ansatt i Graphene Batteries for å ta løsningen nærmere markedet og introduksjon, sier han.
Graphene Batteries har lisens på teknologien fra NTNU.
Vil lage prototype
Løsningen er dermed fremdeles under utvikling, men teknologien blir stadig mer moden. Den er demonstrert i laboratoriet og i fullceller, men de må utvikle en prototype før de kan tiltrekke seg kommersiell oppmerksomhet, tror han.
– Vi forsøker å skaffe midler til å ta frem en prototype. Det koster mye penger, så vi søker støtte fra Forskningsrådet, slik at vi kan skalere opp. Vi må også undersøke den teknisk-økonomiske levedyktigheten, og hvorvidt eksisterende batteriprodusenter vil ta det i bruk, sier han.
Målet er ikke å bygge slike batterier selv, men å lisensiere teknologien ut til en batteriprodusent.
Løsningen vil ikke kreve radikale nye produksjonsmetoder, så den kan tas i bruk i eksisterende produksjonslinjer. Det er viktig dersom det skal være en mulighet for at teknologien finner veien til markedet.
Og selv om dette skulle løse seg, er det langt frem tid. Tezel sier det i batteriverdenen som regel tar seks til ti år fra et konsept er utviklet til det finnes i markedet. Så å ta teknologien til markedet vil realistisk ta mange år.
– Har du noen gang sett et batterigjennombrudd som kommer raskt på markedet og enkelt kan tas i bruk av batteriprodusentene? Det er avhengig av kompleksiteten, og det er mange strenge krav som alternative teknologier må kunne innfri, så litt mer arbeid og finansiering for å se hvordan teknologien vil fungere i prototypen, mye forskjellig testing som tar tar tid og koster penger, sier han.
Ulike løsninger til ulike problemer
Han tror problemet med å finne den ultimate løsningen for batterier er at det finnes ulike problemer som krever ulike løsninger. Ingen vil sette sammen alt til det ultimate batteriet, men det vil komme ulike litiumionbatterier til ulike formål, og Graphene Batteries' løsning kan brukes der det er behov for bruk i lave temperaturer.
Løsningen kan imidlertid gi batterier som brukes som ethvert annet batteri i massemarkedet, bare at det får en trinnvis forbedring vet at det fungerer i lavere temperaturer.
Han tror ikke det vil være mulig å få laget prototypene i Norge. Denne jobben må utføres av en partner i utlandet som bygger den for dem, og lager standard sylindriske 18650-celler. I praksis en batteriprodusent.
Slike fasiliteter finnes ikke i Norge, med mindre noen bygger en batterifabrikk.
Graphene Batteries jobber for øvrig også med litium-svovelbatterier. De forhandler nå en kontrakt med en privat investor, som Tezel ikke ønsker å si hvem er.
– Det er grupper som ser på muligheten for å investere i Norge for å produsere batterier her. Vi har ofte møter med investorgrupper som vil undersøke om det er økonomisk mulig. Vi har nylig undertegnet en intensjonsavtale med en av disse gruppene for å utvikle vårt litium-svovelbatteri, som er neste generasjons batteri. Vi skal begynne med første fase, som er å reprodusere de opprinnelige resultatene. Neste fase er å utvikle det til en prototype, og tredje fase er å skalere opp til masseproduksjon. Men det tar tid, og vi må se på resultatene av først fase om vi fortsetter videre med prosjektet.
Stor interesse for batteriproduksjon i Norge
– Det er stor interesse for å bygge batterier i Norge. Vi må undersøke om det er økonomisk levedyktig, og det er ulike hensyn å ta når man skal bestemme hvor en slik fabrikk skal ligge.
Det er ikke uten grunn at de store produsentene som Samsung SDI og LG Chem etablerer sine batterifabrikker i landene rundt Tyskland, mener Tezel. Det gir dem en nærhet til markedet.
I Norge har vi imidlertid nærhet til råvarene. Det er en viktig faktor for å lykkes, tror han.
Tilgang til råvarer
Han sier at det ikke er tilgangen til billig fornybar energi som gjør Norge interessant for batteriproduksjon. Det er råmaterialene som er den store utgiften, opp mot halvparten. Energi utgjør noen få prosent, så det gir ikke store utslag på fortjenestemarginen.
I stedet peker han på norsk elektrokjemisk industri, som har mye kunnskap innen særlig aluminiumselektrolyse.
– Dette er i bunn og grunn et stort batteri. Jeg tror de store selskapene innen dette kan utvikle planer for å bli store batteriprodusenter.
Han trekker også frem tilgangen til råmaterialer som en viktig faktor som taler for at det burde være batteriproduksjon i Norge.
– Norge er det eneste landet i Europa som har en virksom grafittgruve, Skaland grafitt på Senja, med grafitt av høyeste kvalitet. Skaland arbeider nå med videreforedling av sin grafitt for bruk i batterier. I Finland har man startet en litiumgruve. Det er tilgang til litium og grafitt, mye plass, gode myndighetsinsentiver, og elektrokjemisk erfaring. Jeg tror det kan gjøres, og i det lange løp bør det gjøres.
- Les flere saker om batterier.
