Derfor tar det tid å lage lettere og bedre batterier

Litiumionbatterier har revolusjonert livene våre siden de først kom på markedet tidlig på 90-tallet. Nå bruker vi dem overalt – i mobiltelefonen, i den bærbare PC-en, og i elbilen.

Men litiumionbatteriene er fortsatt tunge, rekkevidden kan alltids bli bedre, og de er heller ikke hyggelige å ha med å gjøre om de tar fyr.

Dessuten krever produksjonen store mengder av metaller som nikkel og kobolt fra gruvedrift som byr på etiske og miljømessige utfordringer. Litium selv er et dyrt materiale, der utvinningsprosessen setter et stort miljøavtrykk.

Likevel er det fortsatt litiumionbatterier som brukes i stort sett alle elbiler. Hvorfor tar det så lang tid å forske frem bedre alternativer?

– Nå skal det sies at utvikling av batterier har gått fort. Da de første litiumionbatteriene kom i 1991, var det basert på intens forskning gjennom 20-25 år. Og det er fortsatt intens forskning, sier Ann Mari Svensson.

Vesentlig billigere materialer

Hun er professor ved NTNUs Institutt for materialteknologi. På laben i det gamle kjemibygget på Gløshaugen lager de batterier selv. Fra grunnen av. Batteriforskning er prøving og feiling, og ekstremt arbeidskrevende, forteller Svensson.

– Etter å ha jobbet med litiumionbatterier i mange år, prøver vi nå å lage batterier som bruker kun aluminium og grafitt. Det er vesentlig billigere enn litium, forteller Svensson.

Batteriene de lager, ligner på dem som du setter inn i fjernkontrollen til TV-en. Små «coin cells», der materialene kan prøves ut i små porsjoner.

– Vi gjør beleggingen i liten skala, og så lader vi batteriene opp og ut. 300 ganger, eller tusen ganger. Så åpner vi dem og ser hvordan de ser ut inni.

– Hva ser dere etter?

– Vi prøver å forstå hva som skjer når batteriene lader opp og ut, og hvorfor de feiler. I SEM-mikroskop (scanning electron microscope) kan vi se om det sitter mye reaksjonsprodukter på overflaten av grafitten. Vi må også bruke kjemiske analyser, for å se etter hvilke bindinger og komponenter som er til stede. Det er et puslespill.

Prøving, feiling og modellering

Så langt ser forsøkene bra ut, men å bruke aluminium som anode er bare en del av et enda større puslespill. Mellom katode og anode bruker forskerne en elektrolyttdet kjemiske stoffet som fungerer som en ioneleder mellom den positive elektroden (katoden) og den negative elektroden (anoden) som fortsatt er både tung og dyr.

– For at dette skal være interessant må vi finne nye elektrolytter, og det er kjempevanskelig. For å få det til, må vi kombinere prøving og feiling med fundamental modellering.

Det er rett og slett vanskelig å få alle materialene som må inngå i et batteri, til å fungere godt sammen.

– Du kan ha en god anode som fungerer med en bestemt elektrolytt, men så har du problemer med å finne en katode som passer til. Så skal det være billig, det skal være termisk stabilt, det skal ikke ta fyr. Vekten skal være lav, og det skal gå an å produsere i stor skala. Batteriene skal kunne lades mye og ha riktig spenning.

Noe hjelp får forskerne fra MD-simuleringer (molekylærdynamikksimuleringer), en metode der man bruker datamaskiner til å simulere hvordan atomer og molekyler beveger seg over tid.

– Men heller ikke disse modellene er gode nok. Det er ganske begrenset hva de kan forutsi. Vi kan rett og slett ikke designe et batteri fra scratch.

• Les også: Dette supertynne smartfilteret kan gi elbilbatterier et mye lengre liv

Vil bli sterkere her hjemme

Et alternativ til litiumionbatterier, som er klar til å tas i bruk på veger verden over, er natriumionbatterier. Natrium er det vi har på kjøkkenbenken vår, i bordsalt og i bakepulver som natron.

– Det har gått rimelig fort å erstatte litium med natrium. Da får man en type batteri som ligner litt på litiumionbatterier, men som er litt tyngre, sier Svensson.

De første kinesiske bilene med natriumionbatterier er allerede laget.

På SINTEF Energi er seniorforsker Fride Vullum-Bruer opptatt av å gjøre norsk forskning og industri sterkere på batteriutvikling. Alt trenger ikke skje i Asia.

– Det har skjedd så utrolig mye innen batteri-utvikling. Da bilindustrien virkelig begynte å få ferten av dette med elektriske biler, så var det særlig de asiatiske landene som satte alle kluter til på utvikling. Med Kina i spissen, i tillegg til Sør-Korea og Japan, sier Vullum-Bruer.

Det har gjort at det først og fremst er bilindustrien som har ledet an forskningen. Vullum-Bruer mener finansiering av batteriforskningen må bli bedre her i landet for at vi skal henge med.

– Den reelle finansieringen til energiforskning, altså ikke bare batteriforskning, er betydelig redusert det siste tiåret. Samtidig er konkurransen økt, så midlene smøres tynnere utover.

Norge best i maritim sektor

Når det kommer til batterier til maritim sektor, er Norge derimot i teten. Det har fått selskaper som Siemens Energy og Corvus Energy til å etablere produksjon i Norge.

– Innen skipsfart som elektriske ferger, er Norge verdensledende. Der ser resten av verden til oss, sier Vullum-Bruer.

En båt som skal tøffe rolig av gårde over fjorden, kan klare seg med tyngre, men rimeligere batterier enn en sportsbil som skal akselerere fra null til hundre på få sekunder. Utviklingen går mot ulike batterityper, avhengig av bruken.

– Batteriene blir mer og mer skreddersydde. Til å begynne med besto katodene kun av litium, kobolt og oksygen (LiCoO₂) Så oppdaget man at om man puttet inn litt nikkel, fikk man andre egenskaper. Litt mangan, og man får atter andre egenskaper. Det handler om spenningsnivå, om energitetthet, om stabilitet og sikkerhet. Om hvilke egenskaper man ønsker av batteriet og hva det skal brukes til.

– Så hvorfor ikke bare sette i gang og produsere?

– Nei. Batterier har veldig strenge krav, spesielt batterier som skal inn i kjøretøy. Fra du har et nytt konsept, til det kommer på markedet, går det fort ti år. Man må gjennom flere år med testing og verifisering. Det skal testes av tredjeparter, at det varer så lenge som det påstås, at det ikke plutselig degraderes fortere enn man har trodd.

Ulike batterier for ulik bruk

Selv holder SINTEF-forskeren en knapp på faststoffbatterier som fremtidens løsning for elbiler. Altså der elektrolytten ikke lenger er flytende.

– Flere kinesiske aktører har annonsert at de skal masseprodusere faststoffbatterier nå. Men det vil ta tid før det kommer i like stor skala som andre batterier.

Nok en variant er batterier der katoden består av litiumjernfosfat, såkalte LFP-batterier. De har litt lavere energitetthet enn NMC-batterier, (basert på nikkel, mangan og kobolt). Lavere energitetthet vil si at de lagrer mindre energi per vekt eller volum. Men de er billigere, og de har betydelig lengre levetid.

Det er ikke lenger slik at «one size fits all» , og at litiumionbatterier brukes overalt.

– Vi vil se at andre teknologier utvikler seg. I stasjonær energilagring, som i kraftverk eller i solcelleanlegg, eller i små og lette kjøretøy med kort rekkevidde, er det ikke nødvendigvis litiumbatterier som er det opplagte valget. Har man ikke vekt og volumbegrensning, kan man bruke andre teknologier som er tryggere og fungerer like bra til formålet, sier Vullum-Bruer.