Samhället behöver fler och bättre batterier för att driva elbilsflottor.
Tack vare boomen inom förnybara energikällor är den begränsande faktorn i energirevolutionen idag inte så mycket strömförsörjning som energilagring. Renare, grönare batterier behövs för att ladda våra bilar, elcyklar och enheter längre.
Det är en situation vi alla har varit i. Du är upptagen med någon uppgift och den rektangulära ikonen i det övre högra hörnet av skärmen blir röd och blinkar för att indikera att ditt batteri är lågt. Batteriproblemen går dock långt utöver denna typ av mindre besvär. Batterier är en kritisk komponent i vår framtid för grön energi, om än en ofullkomlig sådan.
I framtiden förväntas mycket av vår energi komma från förnybara källor som sol och vind. Ändå vet vi alla att det finns tillfällen då vinden inte blåser och solen inte skiner. För att balansera utbudet måste vi lagra överskottsel som genereras från förnybara källor tills vi är redo att konsumera den. Bättre batterier är ett viktigt sätt att göra detta. Om vi vill driva de planerade flottorna av elbilar och mobila enheter kommer vi att behöva ett stort antal batterier.
Ett stort pågående problem är att även de bästa batterierna har problem. Till exempel är ett stort hinder för litiumjonceller att de använder litium som en nyckelkomponent. Detta bryts som salt. Eftersom Europa för närvarande inte har några stora reserver, är det beroende av import från endast ett litet antal platser, som Australien och Chile. Andra problem med litiumbatterier är att de är dyra, har begränsad lagringskapacitet och tappar prestanda efter upprepad laddning.
Om vi vill förbättra dem måste vi först förstå hur de fungerar. Traditionella litiumjonbatterier har tre nyckelkomponenter. Det finns två fasta komponenter som kallas elektroder – anoden och katoden – och en vätska som kallas elektrolyten. När ett batteri laddas ur strömmar elektroner från anoden till katoden för att driva alla enheter som det är anslutet till. Positiva litiumjoner diffunderar genom elektrolyten och attraheras av katodens negativa laddning. När batteriet laddas sker detta omvänt.
Energi densitet
Hela processen är en reversibel elektrokemisk reaktion. Det finns många varianter av denna grundläggande process med olika typer av kemikalier och joner inblandade. Ett särskilt alternativ som undersöks av Project ASTRABAT är att ta bort den flytande elektrolyten och göra den fast eller gel istället. I teorin har dessa solid state-batterier en högre energitäthet, vilket innebär att de kan driva enheter längre. De bör också vara säkrare och snabbare att tillverka eftersom de, till skillnad från vanliga litiumjonbatterier, inte använder en brandfarlig flytande elektrolyt.
“Vi måste fortsätta att investera i forskning för att validera nästa generations batterier.”
— Dr. Sophie Maley, ASTRABATH
Elektrokemist Dr. Sophie Miley från Commission for Atomic Energy and Alternative Energies (CEA) i Grenoble, Frankrike, är koordinator för ASTRABAT-projektet. Hon förklarar att litiumbaserade solid-state-batterier redan finns. Men sådana batterier använder gel som elektrolyt och fungerar bara bra vid temperaturer på runt 60 C, vilket innebär att de är olämpliga för många applikationer. “Det är uppenbart att vi behöver förnya oss på det här området för att kunna möta utmaningarna med klimatförändringarna”, säger Dr Mayley.
Hon och hennes team av partners arbetar på att fullända ett recept för ett bättre solid-state litiumbatteri. Arbetet innebär att titta på alla typer av kandidatbatterikomponenter och avgöra vilka som fungerar bäst tillsammans. Dr Mayley säger att de redan har identifierat lämpliga komponenter och utvecklar sätt att skala upp batteriproduktionen.
En fråga som hon och hennes team planerar att undersöka härnäst är om det blir lättare att återvinna litium och andra element från solid-state-batterier jämfört med typiska litium-jon-batterier. Om så är fallet kan detta öka litiumåtervinningen och minska importberoendet.
Dr Maley uppskattar att om forskningen går bra kan solid-state litiumbatterier som det ASTRABAT arbetar med komma in i kommersiell användning i elbilar omkring 2030. “Jag vet inte om dessa solid state-batterier är vad som kommer att bli nästa stora batteriinnovation, säger Dr Mayley. “Det finns många andra möjliga lösningar, som att använda mangan eller natrium (istället för litium). Detta kan göras. Men vi måste fortsätta att investera i forskning för att validera nästa generations batterier”, sa hon.
Positivt laddad
När det gäller att lagra energi för att hålla elnäten igång smidigt måste batterierna vara pålitliga och ha hög kapacitet, vilket innebär dyra. Knappt litium är inte det bästa valet. Istället undersöker Project HIGREEW en annan typ av batteri som kallas en redoxflödescell.
Huvudkomponenterna i redoxflödesbatterier är två vätskor, en positivt laddad och en negativt laddad. När batteriet används pumpas de in i en kammare som kallas en cellstack, där de separeras av ett permeabelt membran och utbyter elektroner – vilket skapar en ström.
Koordinator för projektet är kemisten Dr. Eduardo Sanchez från CIC energiGUNE, ett forskningscenter nära Bilbao i Spanien. Han förklarar att många storskaliga redoxflödesbatterier redan är i drift runt om i världen och är designade för att vara stabila och hålla i cirka 20 år. Men dessa befintliga batterier använder vanadin löst i svavelsyra[{”attribute=””>syravilketärengiftigochfrätandeprocessSäkerhetskravinnebärattdessabatteriermåstetillverkastillstorakostnader[{”attribute=””>acidwhichisatoxicandcorrosiveprocessSafetyrequirementsmeanthesebatteriesmustbemanufacturedatgreatexpense
“Jag skulle säga att vi har en blomning här i Europa, med många företag som arbetar med flödesbatterier.”
— Dr. Eduardo Sanchez, HIGREEW
“Vanadium har många styrkor – det är billigt och stabilt”, säger Dr. Sanchez. “Men om du har en läcka från ett av dessa batterier är det inte trevligt. Du måste designa tankarna så att de är extremt hållbara.”
Mindre giftig
HIGREEW-projektet planerar att skapa ett redoxflödesbatteri som använder mycket mindre giftiga material som saltlösningar i vatten som lagrar kolbaserade joner. Sanchez och hans team av kollegor har arbetat med att ta fram det bästa receptet för detta batteri, genom att screena många olika kombinationer av salter och kemiska lösningar. De har nu tagit fram en kortlista på några prototyper som fungerar bra och arbetar med att skala upp dessa.
Arbetet med ett enormt prototypbatteri pågår på CIC energiGUNE-centret. “Vi måste se till att de bibehåller sina goda prestationer i skala”, säger Dr. Sanchez.
Hans team har också undersökt en metod för att doppa kommersiellt tillgängliga batterimembranmaterial för att kemiskt förändra dem, vilket gör att de håller längre.
Dr. Sanchez ser en ljus framtid för redoxflödesbatterier. “Jag skulle säga att vi har en blomning här i Europa, med många företag som arbetar med flödesbatterier.” Han förutspår att tillverkning av redoxflödesbatterier kan ge rikliga sysselsättningsmöjligheter till Europa under de kommande åren.
Forskningen i denna artikel finansierades av EU.
Denna artikel publicerades ursprungligen i Horizon, EU Research & Innovation Magazine.
