Nytt superbatteri er ladet med svovel og sukker

Forestill deg et batteri som gir elbilen en rekkevidde på 1000, 1500 eller faktisk 2000 kilometer på en oppladning – et batteri som er billigere, lettere og mer miljøvennlig enn de litium-ion-batteriene vi i dag bruker i elbiler, datamaskiner, smarttelefoner og andre bærbare enheter.

Et slikt batteri er nå innen rekkevidde etter at forskere har klart å finne den helt riktige blandingen av litium, svovel og et velplassert dryss sukker.

Resultatet er såkalte litium-svovel-batterier, som har vært på forskernes ønskeliste siden 1962, da det ble utviklet på tegnebrettet og patentert. Men først nå, seksti år senere, kan batteriet bli en del av hverdagen.

Forskerne som står bak gjennombruddet, hører til Monash-universitetet i Australia, og de er ikke redde for å skryte av litium-svovel-batteriet sitt.

«På under et tiår kan teknologien gi oss kjøretøyer, for eksempel elektriske busser og lastebiler, som kan kjøre fra Melbourne til Sydney (om lag 880 kilometer, red.anm.) uten å måtte lades opp», spår professor Mainak Majumder.

Avløser en tretti år gammel suksess

Når den nye batteritypen kommer på markedet, blir den en etterlengtet avløser for de litium-ion-batteriene vi har hatt så mye nytte av siden begynnelsen av 1990-tallet.

I bunn og grunn virker de to batteriene på samme måte. De har to elektroder atskilt av en såkalt elektrolytt, altså en væske som ioner, men ikke elektroner, kan gå gjennom. Ionene er atomer som mangler et elektron. Når vi lader opp batteriet, vandrer ionene med positiv ladning fra litium-elektroden over til den andre elektroden, som vanligvis består av grafitt, altså karbon. Her lagres ionene i hulrom mellom karbonatomene.

Når vi bruker batteriet og det lades ut, går prosessen den motsatte veien. Igjen er det bare ionene som beveger seg gjennom væsken inne i batteriet. Via ledninger koblet til elektrodene kan de løse elektronene derimot bevege seg ut av batteriet og gjennom det kretsløpet batteriet skal levere strøm til – for eksempel motoren i en elbil.

Jo flere ioner som kan befinne seg i den andre elektroden på en gang, jo større blir den såkalte energitettheten, altså mengden strøm vi kan lagre i batteriet.

Energitettheten i en elektrode av svovel er opptil fem ganger så høy som i de grafittelektrodene som tradisjonelt inngår i litium-ion-batteriene våre. Nettopp derfor har forskere i flere tiår forsøkt å få litium-svovel-batteriet til å fungere.

Problemet har vært holdbarheten. I litium-svovel-batteriet får hver ladesyklus svovelen til å svulme opp og trekke seg sammen slik at elektroden etter kort tid begynner å sprekke. Forskerne har derfor ikke kunnet presse mer enn omkring femti ladesykluser ut av batteriene. Dessuten har litium-svovel-batteriene vært belemret med et annet problem som har begrenset holdbarheten.

Etter hvert som litium-ionene vandrer fram og tilbake mellom elektrodene, danner noen av dem kjemiske forbindelser med svovelet slik at det oppstår såkalte polysulfider.

Det betyr at ionene tar med seg en del av svovelet tilbake til litiumelektroden, der det ikke hører hjemme. Her setter stoffet seg som et belegg som med tiden bryter ned litiumelektroden og svekker batteriets yteevne og levetid.

Sukkertilskudd løser problemene

Begge problemer ser nå endelig ut til å være løst med de australske forskernes enkle middel: å tilføre et bindemiddel av glukose, altså sukker, til svovelelektroden.

Sukkertilskuddet får svovelet til å danne en ny struktur som både gjør det mindre sårbart og gir bedre plass til at litiumionene kan binde seg til elektroden. Samtidig viser forskernes eksperimenter at sukkeret hemmer dannelsen av polysulfider slik at det oppstår langt mindre belegg på litiumelektroden.

Til sammen betyr de to effekter at forskernes prototype kan klare rundt tusen ladesykluser, noe som er i samme liga som de tradisjonelle litium-ion-batteriene.

De australske forskerne hentet sukkertrikset fra en forskningsartikkel fra 1988. Ved en tilfeldighet kom en av universitetets doktorgradsstudenter, Yingyi Huang, over artikkelen som beskriver hvordan sukker kan binde svovelforbindelser i jord. Hun foreslo straks at professor Mainak Majumder skulle prøve det samme i svovelelektroden.

Ved å la seg inspirere av tre tiår gammel forskning innen et helt annet felt fant forskerne dermed fram til den oppskriften som kan bane vei for litium-svovel-batterienes store gjennombrudd.

Energitettheten i den nye batteritypen vil særlig gjøre en stor forskjell for elbilene. Bilprodusentene strever med å få elbilene til å kjøre langt på en oppladning uten at batteriene blir for store og tunge.

Den samlede vekten av batteripakken til en elbil varierer, men et batteri på 80 kWh i en elbil med rekkevidde på opp mot fem hundre kilometer veier omkring et halvt tonn og utgjør dermed om lag en fjerdedel av vekten til bilen.

I dag kan litium-ion-batterier ha en energitetthet på om lag 250 wattimer per kilo batteri. Litium-svovlel-batteriene kan to- eller tredoble dette tallet til 500 eller 750 wattimer per kilo og dermed fordoble eller tredoble elbilens rekkevidde slik at den kommer helt opp i rundt 1500 kilometer.

Det betyr at elbilen for første gang vil kunne konkurrere med hydrogendrevne biler, som er det andre grønne alternativet til bensinbilen.

Og kanskje vil det med tiden bli enda bedre. Teoretisk kan den nye batteritypen femdoble rekkevidden slik at den ender oppe på 2500 kilometer.

Det nye batteriet skåner miljøet

Litium-svovel-batteriet vil ikke bare være jevngodt med nåværende batterier i holdbarhet og energitetthet. Det vil også lette den klima- og miljøbelastningen som i dag knytter seg til batteriproduksjonen.

Tradisjonelle litium-ion-batterier inneholder flere sjeldne grunnstoffer, blant annet kobolt, som stabiliserer litium-elektroden og gjør den bedre til å avgi og oppta ioner. I de nye svovelbaserte batteriene er ikke kobolt nødvendig, og det er en stor fordel.

Utvinningen av kobolt fra åpne gruver krever bruk av store gravemaskiner og lastebiler, og gruvedriften går hardt utover det lokale miljøet og slipper ut store mengder CO₂.

Dessuten er kobolt et sjeldent metall vi risikerer å gå tom for. Det internasjonale energibyrået, IEA, mener at utvinningen av kobolt allerede i 2030 vil legge begrensninger på batteriproduksjonen. I dag utvinnes to tredjedeler av all kobolt i Kongo, der menneskerettighetsorganisasjoner rapporterer om farlige arbeidsforhold og bruk av barnearbeidere i gruvedriften.

Av alle disse grunnene vil det være en stor gevinst hvis det nye litium-svovel-batteriet kan eliminere behovet for kobolt. Og svovel har vi nok av. Det er det tiende vanligste grunnstoffet på kloden og et vanlig avfallsprodukt fra industrien.

Enda et problem med litium-ion-batteriene er sikkerheten. De kan antenne spontant ved kortslutninger, som for eksempel kan oppstå ved fysiske skader på batteripakken. Brannfaren forsterkes av at det i forbindelsen mellom litium og kobolt i den ene elektroden også inngår oksygen.

Litium-svovel-batterienes elektroder inneholder ikke oksygen, og derfor mener forskerne at de er mindre brannfarlige enn forgjengerne sine.

Batterifabrikk er klar om fem år

Forskerne ved Monash-universitetet har fortsatt noen problemer å løse før litium-svovel-prototypen kan ta spranget fra laboratoriet til produksjon i stor skala. Problemet med belegget på litiumelektroden er ikke løst helt tilfredsstillende enda, men forskerne er optimistiske. Det samme gjelder bedriften Enserv Australia, som de samarbeider med.

«Vi planlegger å produsere de første litium-svovel-batteriene i Australia i løpet av omkring fem år», opplyser direktør Mark Gustowski.

Mye taler dermed for at det blir litium-svovel-batteriet som først utfordrer dagens litium-ion-batterier.

Men også andre batterityper er under utvikling. Alle tar i bruk andre grunnstoffer, noe som både medfører styrker og svakheter.

Et av de konseptene forskerne arbeider med, er litium-luft-batteriet. Her fungerer oksygen fra vanlig luft som den ene elektroden. Litium-luft-batteriene kan i teorien oppnå en ti ganger så høy energitetthet som et litium-ion-batteri – og dermed dobbelt så høy som litium-svovel-batteriet.

Men forskerne har problemer med å gjøre batteriene holdbare nok slik at de tåler mange ladesykluser.

Et annet alternativ er de såkalte faststoffbatteriene, som i stedet for en væskeelektrolytt er forsynt med en elektrolytt i fast form. Inntil videre har batteritypen blitt brukt til mindre apparater, for eksempel pulsmålere og pacemakere, der faktorer som energitetthet og brannsikkerhet er helt avgjørende.

Her betyr det mindre at materialkostnader er høye, noe som nettopp er en svakhet hos denne typen.

Rent prismessig er det stort potensial i en tredje batteritype: natrium-ion-batteriet. Her er litium skiftet ut med natrium. Mens litium er en begrenset ressurs, har vi mer enn nok natrium, siden vi bare kan utvinne det fra saltet i havene. Dessverre er ikke energitettheten i natrium-ion-batterier særlig høy.

Litium vil derfor fortsatt spille hovedrollen i de fleste av batteriene våre. Det er imidlertid viktig at vi blir flinkere til å gjenbruke dette metallet. Hvis det lykkes, kan det nye litium-svovel-batteriet bli den mobile strømkilden i mange tiår framover.