Fornybar energi fra sol og vind blir stadig viktigere i årene som kommer. Men den fornybare energien har dessverre en stor ulempe. Den må som oftest tas vare på før den kan brukes.
– Du skal ikke være avhengig av at solen skinner eller at vinden blåser når du kommer hjem og skal lage middag, sette på klesvasken eller lade elbilen din. Det er derfor helt nødvendig å kunne lagre denne fornybare strømmen i batterier, poengterer stipendiat Halvor Høen Hval på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Han forsker på fremtidens batterier. De skal bli både mer miljøvennlige og mer bærekraftige. Det er viktig. Mange av batteriene som brukes i dag, består av stoffer som ikke er bra for miljøet. Det er et aldri så lite paradoks i det grønne skiftet.
– Batteriene som skal lagre den grønne energien, er i seg selv ikke helt grønne.
Batterier består av metaller. Det kreves en del energi for å hente ut og bearbeide metall fra gruver.
En av svakhetene er dagens valg av råstoffer.
Ut med kobolt
Selv om det har skjedd mye i batteriutviklingen de siste årene, er det fortsatt mye kobolt i dagens elbil-batterier. Det er trippel uheldig. Kobolt er både et dyrt og et sjeldent mineral. Det er ikke nok kobolt til fremtidens batteribehov. Dessuten er de største koboltforekomstene i Kongo. Der er det mye barnearbeid.
Dagens batterier har enda en svakhet. De veier altfor mye. For å forstå hvorfor må 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 behøver altså ikke frakte med deg oksygenet i bensinbiler.
– I batterier må du frakte med deg alt oksygenet i form av oksider. Oksider veier mye. Det blir som om du måtte ta med deg hele bokhyllen din hvis du skulle levere noen bøker.
Ingeniørkunsten har dog tatt seg opp de siste årene.
– Nå er batteriene blitt så gode at det gir mer mening å frakte dem rundt. Fordelen med batterier er at de er svært effektive. Med effektivitet menes hvor mye av energien fra oppladingen som du får tilbake når de bruker batteriet.
– I dag får vi ut nesten like mye energi som man legger inn i batteriet. Batterier er derfor langt mer energieffektive enn hydrogen og bensin. Der går mye av energien tapt som varme.
Litium-dilemma
Et av de vanligste mineraler i dagens batterier er litium. Litium har uheldigvis også sine ulemper.
– Mange er bekymret for at det er for lite litium på Jorda. Det er ikke problemet. Bare i havet finnes det mer enn nok litium til å dekke behovet for alle batterier i elbiler. Uheldigvis er konsentrasjonen så lav at det er svært energikrevende å hente ut litium fra havet.
Det er vanskelig å utvinne litium.
– Hvis alle batterier skal bestå av litium, må man ikke gå i den samme fellen som med kobolt.
I dag utvinnes mye litium fra store saltsjøer i Latin-Amerika.
– Man må ha kontroll på hvordan man utvinner litium, slik at det ikke skal gå ut over lokalsamfunnet.
Halvor Høen Hval mener derfor at det er viktig å finne et stoff som kan erstatte litium. En mulighet er natrium. Det er ingen mangel på 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 å bruke litium i batterier i laptop og biler. Batteriene i mobiltelefoner inneholder stort sett litium og kobolt. Noen prøver å bytte ut kobolt med nikkel. Det er bedre, men nikkel er heller ikke så miljøvennlig.
Lader uladbare batterier – bygger megafabrikk
Bytter ut kobolt med mangan
Halvor Høen Hval forsker på en helt ny batteritype som inneholder mindre litium, mindre nikkel og ingen kobolt. Han har endret på den kjemiske strukturen og byttet ut kobolten med det harde metallet mangan. Det er ikke dumt. Det er mye lettere å få tak i mangan.
– Med mangan kan batteriene bli langt mer bærekraftige.
Og her kommer enda et pluss. Batteriene til Halvor Høen Hval kan faktisk bli lettere enn dagens batterier.
– Det er nesten for godt til å være sant.
Men all glede har sin bismak.
– Vi har noen utfordringer, beklager batteriforskeren.
Et optimalt batteri skal både ha høy kapasitet og høy spenning. Med høy kapasitet menes at mange elektroner skal kunne dyttes frem og tilbake. Høy spenning betyr at hvert elektron skal ha så mye energi som mulig. De nye batteriene til Høen Hval har høyere spenning enn dagens batterier. Det betyr at disse batteriene har mye energi. Det høres kanskje bra ut, men den høye spenningen kan skape problemer.
Batteri på 1-2-3
For å skjønne hvorfor må vi vie noen sekunder på å forstå hvordan et batteri er bygd opp. Alle batterier er satt sammen av de tre delene anode, katode og elektrolytt.
Strømmen skapes når elektroner forflytter seg fra anoden til katoden. Samtidig vil det gå en strøm av ioner, det vil si ladete, positive litium-atomer, direkte fra anoden til katoden via elektrolytten. Når batteriet lades opp, skjer det omvendte. Da sendes elektroner og ioner fra katoden til anoden.
Hele poenget med elektrolytten er å skille anoden fra katoden. Uten elektrolytten ville alle elektronene ha frest direkte fra anoden til katoden. Da hadde batteriet kortsluttet. Poenget er å lage elektrolytten med et materiale som er dårlig til å lede strøm – altså elektroner – men samtidig godt nok til å lede ioner.
Europeisk batterisatsing: – Oppskaleringen går sakte
Uheldig spenning
Og nå som du vet hvordan et batteri fungerer, kan vi komme inn på hvorfor det er uheldig at spenningen er for høy. For høy spenning kan føre til at katoden skader elektrolytten. Da kan batteriet gå i stykker.
En mulighet er å legge på et tynt belegg på katoden. Det er noen som gjør dette. Belegget må dog være så tynt at litium-ionene kommer igjennom.
– Og det er nå det morsomme begynner, forteller forskeren.
Finjusterer blandingen
Han leter etter den optimale sammensetningen av metallene i katoden for at den skal være effektiv, samtidig som den ikke skal ødelegge 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 å prøve meg frem med små endringer av mengden mangan og nikkel.
Han undersøker spesielt om det er mulig å bytte ut mer nikkel med mangan.
– Da blir batteriet mer bærekraftig.
Her gjør han to undersøkelser. Den ene sjekken hans er hvordan de ulike sammensetningene av mangan og nikkel påvirker elektrolytten. Elektrolytter er flytende. Hvis elektrolytten skades, dannes det gass. Det er ikke heldig. Han prøver derfor å finne frem til en sammensetning som ikke fører til slike uheldige, kjemiske reaksjoner i elektrolytten.
Ut med urenhetene!
Det andre Høen Hval undersøker, er hvordan det er mulig å lage den perfekte katoden best mulig. Da gjelder det å lage en katode med færrest mulig urenheter.
Du lurer sikkert på hva han mener med urenheter. I områder med urenheter binder mangan og nikkel seg med litium på en annen måte enn ønsket.
Hele poenget er at litium-ioner skal kunne bevege seg fritt inn og ut av katoden når 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 dårligere.
– Selv om batteriene bare består av én til to prosent urenheter i katoden, vil denne lille prosenten med urenheter bety mye når de skal masseproduseres.
I dagens batterier er det forresten ikke mulig å tømme katoden helt for litium. Strukturen i katoden trenger alltid litt litium for at den ikke skal kollapse. Ellers ødelegges batteriet. Og da er det på tide med en gledelig nyhet:
– I batteriet mitt er det i prinsippet mulig å tømme katoden for litium-ioner. Vi trenger ikke ekstra litium bare for å holde korthuset på plass. Da vil batteriene mine bli atskillig bedre enn dem vi har i dag.
Fransk røntgensjekk
Det er ingen enkel sak å finne den optimale blandingen av metaller. Metall[1]ene må både blandes sammen på en bestemt måte og varmebehandles ved helt spesielle temperaturer.
Spørsmålet er hvilken temperatur som skaper den rette krystallstrukturen uten urenheter. For å undersøke dette har Halvor Høen Hval sendt en rekke prøver til den europeiske synkrotronen i Grenoble. Dette er et svært anlegg der forskerne bruker røntgenstråler til å måle sammensetningen og oppbygningen av den kjemiske strukturen i stoffer. Energien i røntgenstrålene er 100 milliarder ganger kraftigere enn på legevakten.
– Poenget mitt er å finne den optimale temperaturen. Rundt 700 grader skjer det spennende ting.
Selv om anlegget i Grenoble er formidabelt stort, er materialprøvene svært små. Høen Hval sender ned klumper som bare er en halv millimeter tynne. Det holder.
– For å oppnå noe stort, jobber jeg i det små.
Når røntgenstrålene treffer materialet hans, sprer de seg.
– Da får vi vite avstanden mellom atomene.
Når stoffet varmes opp, utvides det. Da blir det større og større avstand mellom atomene.
– Ved en helt bestemt temperatur endrer strukturen seg. Da kan jeg se hvor mange urenheter jeg får.
Det hender at det dukker opp områder 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: varmelære). Så hvordan katoden blir, er ene og alene avhengig av temperaturen.
Batteribranner vekker bekymring – hva er egentlig sant?
Leter etter optimal temperatur
Poenget hans er å finne den optimale temperaturen for å komme frem til den beste måten å blande sammen metallene på uten at det dannes for mange urenheter.
Det som er så vanskelig, er at nikkel og mangan kjemisk sett er ganske like. De har nesten like mange elektroner. Det er forklaringen på hvorfor det er krevende å skille disse to stoffene med vanlige røntgenundersøkelser og at Høen Hval er nødt til å dra til det enorme synkrotron-anlegget i Gre[1]noble for å avsløre katodens hemmeligheter.
Når batteriforskeren har funnet både den optimale, kjemiske blandingen og den optimale temperaturen, er tiden kommet for å studere materialet i vaskeekte batterier. Batteriet hans kan bli spesielt egnet for fremtidige elbiler og fremtidens elektriske ferger.
– Ettersom de nye batteriene mine har høyere spenning enn dagens batterier, behøver vi ikke koble sammen like mange batterier for å få den spenningen vi trenger. Det betyr at vi i fremtiden kan klare oss med færre battericeller i batteripakkene.
Artikkelen ble først publisert av Apollon.
Forskere frykter alvorlig forurensing fra elbiler
