Batterier ska både vara hållbara och billiga när fossila bränslen ska ersättas med el i bilar. Naturvetare har pratat med forskare som utvecklar morgondagens batterier, som förenar superkondensatorn och litiumjonbatteriet.
Publicerad:
Bakom Nicklas Blomquist, doktorand vid Mittuniversitetet i Sundsvall, snurrar kolvar med grafit, en viktig komponent i det batteriet han och hans forskarkollegor utvecklar. Målet är ett hållbart och kraftfullt batteri som använder sig av gröna material och är helt återvinningsbar. Dessutom ska batteriet helst laddas upp med förnybar el.
Superkraft i superkondensator
Han och hans kollegor forskar på super-kondensatorer som bygger på elektrostatisk lagring av energi.
– I en superkondensator separerar man laddningarna, de positiva på ena sidan och de negativa på den andra. För det behöver man två elektroder och en separator med elektrolyt i mitten. När man laddar upp rör sig de positiva laddningarna mot den negativa elektroden och tvärtom. När man sedan kopplar på det som ska drivas av elektricitet jämnar laddningarna ut sig och hamnar i ett normaltillstånd, förklarar han.
"I en bil skulle man kunna lagra energin från en bromsning och använda den energin när man accelererar"
Det handlar om en snabb process, både upp- och urladdningen sker fort, och därför ämnar sig superkondensatorn bäst för snabba och effektkrävande processer.
– I en bil skulle man kunna lagra energin från en bromsning i en superkondensator och sedan använda den lagrade energin när man accelererar igen, påpekar han.
Yta är allt
Kommersiella superkondensatorer finns redan men dessa är dyra i framställningen och kräver mycket resurser som är farliga eller sällsynta samt en energiförbrukande produktionsprocess.
– Vi vill istället bara använda gröna material som lätt kan återvinnas. I princip ska man kunna slänga superkondensatorn i soptunnan när den har gjort sitt jobb.
För att kunna uppnå det använder Nicklas Blomquist grafit som han krossar till tunna grafenflagor. Sedan provar han olika blandningar av grafit och grafen som stryks i tunna lager på ett papper, som ska utgöra ytan som för energilagringen i superkondensatorn. Både grafit och grafen består av långa kolkedjor och är biologisk nedbrytbara.
– Vi kan uppnå en energilagringskapacitet på 50 - 60 procent jämfört med de superkondensatorer som man nu kan köpa kommersiellt. Men då ska man tänka på att materialet är 90 procent billigare, påpekar han.
"Vi vill bara använda gröna material som lätt kan återvinnas"
Målet är att uppnå samma prestanda som de kommersiella produkterna och då är det viktigt att uppnå en stor yta. Blandningen av grafit och grafen, samt storleken på grafenflagorna spelar en avgörande roll.
– Beroende på blandningen får vi olika mycket yta och olika stora porer. Vi vill ha så små porer som möjligt, då ökar också ytan.
I prototypen som Nicklas Blomquist jobbar med ger varje enskild superkondensator en spänning på en volt. Genom att koppla och stapla flera tunna superkondensatorer på varandra kan man uppnå större effekter.
Snabbast med superkondensator
Det är ingen slump att Nicklas Blomquist intresserar sig för just batterier som kan komma till nytta i elektriska fordon. Han har sedan barnsben ett brinnande intresse för motorsport och tävlar bland annat i dragracing. 2015 vann han SM.
– Jag är i princip uppvuxen på tävlingsbanan. Min pappa jobbade med racing och hela familjen har tävlat, i många år var det mamma som var bäst och vann alla mästerskap, berättar han.
Familjen bygger även sina egna tävlings-fordon och just nu pågår projektet att bygga en eldriven dragracingmotorcykel.
– Vi jobbar enbart med superkondensatorer och inga kemiska batterier. Det ska gå att få till det, men tyvärr är det ett dyrt projekt.
Även vanliga bilbatterier skulle må bra av att ha en superkondensatorkomponent, anser Nicklas Blomquist.
– Jag tror att ett hybridbatteri som består till 20 procent av superkondensator och 80 procent kemisk batteri, till exempel ett litiumjonbatteri, skulle med fördel kunna användas i elbilar. Superkondensatorn kan ta hand om snabba reaktioner, som inbromsning och acceleration, och det kemiska batteriet kan sköta själva körningen.
Kemisk reaktion i fickan
De uppladdningsbara batterier som är i ropet just nu, speciellt vad det gäller elbilar, är litiumjonbatterier. Batterier bygger på en kemisk reaktion som kallas för redoxprocess. Den positiva elektroden, katoden, reduceras, och den negativa elektroden, anoden, oxideras. Mellan elektroderna finns elektrolyten – som leder litium i just litiumjonbatterier.
Daniel Brandell, forskare och professor vid Uppsala universitet, utvecklar elektrolytmaterial för batterier som kan lagra stora mängder energi. Han berättar att forskning på litiumbatterier startade redan på 1970-talet men att användningen slog igenom på allvar på 90-talet på grund av den ökade portabla elektroniken.
– Föreningar som innehåller litium ligger antingen väldigt högt eller väldigt lågt i elektrokemisk potential och det gör att man får ett högt volttal från batteriet, man har mycket energi. Det är därför man använder litium i så stor utsträckning, förklarar Daniel Brandell.
Idag är litiumjonbatterier intressanta för fordon, kraftverktyg och stationär lagring i elnätet. Planer på att bygga upp batterifabriker i Sverige och Finland finns redan och efterfrågan är stor eftersom volymen på batteriproduktionen ökar snabbt.
Tallkåda och groddar
För några år sedan rapporterade han och hans grupp om utvecklingen av ett litiumjonbatteri med kemikalier gjorda av tallkåda och alfalfagroddar. Energin kunde jämföras med vanliga litium-jonbatterier med skillnaden att batteriets komponenter kunde återanvändas med nära 100 procent bevarad effekt.
– Det går att utvinna organiskt material från biologisk materia, vilket vi försöker göra i vår forskning på material för batterier. Idag bedrivs forskning för att undersöka om det går att använda cellulosa eller lignin som komponenter för elektroder, berättar Daniel Brandell.
Hållbarhet är en viktig aspekt i batteritillverkningen och är också en stor utmaning. Litiumjonbatterier innehåller konfliktmineraler, som exempelvis kobolt, där tillgången är begränsad och brytningen sker under tuffa villkor för arbetarna. Forskarna undersöker därför också vilka andra material som skulle kunna användas sikt. Om elbilar slår igenom på allvar tillkommer dessutom utmaningar inom exempelvis strömförsörjningen och infrastrukturen med laddningsstationer.
– Det är ett gigantiskt pussel med många bitar men det är roligt att batteriforskningen har blivit så intensiv och dynamisk. Kunskapen har ökat enormt, avslutar han.
Elbilen är en utmaning för framtiden. Utveckling av billigare, bättre och mer hållbara batterier är av stort intresse för fordonsindustrin. Men innan bytet från bilar som drivs av fossila bränslen till eldrivna fordon kan ske återstår en del utmaningar som till exempel: Utbyggnad av elnätet. Uppladdning med förnybar energi. Tillverkning av billigare och bättre batterier - räckvidden är en viktig faktor. Förändring av våra egna vanor - hur använder vi bilar och hur skulle vi kunna transportera oss istället?
Text: Natalie von der Lehr
