Nytt koncept öppnar för miljövänligare batterier
En ny typ av aluminiumbatterier öppnar för storskalig lagring av solkraft och vindkraft.
Batterierna är dubbelt så energitäta som sina föregångare, görs av råvaror som det finns gott om och kan troligtvis minska både produktionskostnader och miljöpåverkan.
Bakom konceptet står forskare på Chalmers tillsammans med kollegor vid National Institute of Chemistry i Slovenien.
– Vår batteriteknologi ger dubbelt så hög energitäthet jämfört med de aluminiumbatterier som är ”state of the art” idag. Dessutom är materialkostnaden betydligt lägre, liksom miljöbelastningen som vi ser den idag. Detta öppnar för storskaliga användningsområden som solcellsparker och lagring av vindkraft, säger Patrik Johansson som är professor vid institutionen för fysik på Chalmers.
Aluminium är en metall som teoretiskt kan ge batterier högre energitäthet, samtidigt som det redan finns en etablerad industri för både tillverkning och återvinning. Konceptet skulle dessutom ge markant lägre råvarukostnader, jämfört med dagens litiumjonbatterier. I tidigare aluminiumbatterier har man använt aluminium som anodmaterial och grafit som katodmaterial, men grafit ger ett för lågt energiinnehåll för att skapa battericeller med praktiskt användbar prestanda.
I det nya koncept som Patrik Johansson och Chalmers presenterar tillsammans med Robert Dominkos forskargrupp i Ljubljana har grafiten ersatts med ett nanostrukturerat organiskt katodmaterial. Det är uppbyggt av den kolbaserade molekylen antrakinon och har framställts och vidareutvecklats av Jan Bitenc, som gästforskat på Chalmers. Den organiska molekylen i katodmaterialet tar effektivt emot positiva laddningsbärare från elektrolyten – den lösning i vilken joner kan flyttas mellan polerna.
– Tack vare att det nya katodmaterialet gör det möjligt att använda lämpligare laddningsbärare, kan batteriet dra bättre nytta av aluminiumets potential. Nu fortsätter arbetet med att hitta en ännu bättre elektrolyt, eftersom den nuvarande innehåller klor. Det vill vi komma bort ifrån, säger chalmersforskaren Niklas Lindahl, som studerat de interna mekanismer som styr energilagringen.
Än så länge finns inga aluminiumbatterier på marknaden och de är relativt nya även inom forskningsvärlden. Frågan är då om aluminiumbatterierna kan komma att ersätta litiumjonbatterierna.
– Självklart hoppas vi det, men framförallt kan de bli ett komplement och se till att litiumjonbatterierna kan användas bara där de behövs. Än så länge är aluminiumbatterierna knappt hälften så energitäta som litiumjonbatterierna, men vårt långsiktiga mål är att de ska bli lika energitäta. Även om det återstår arbete med både elektrolyten och en bättre mekanism för uppladdning är aluminium i grunden en betydligt bättre laddningsbärare än litium då den är multivalent – vilket gör att varje jon ”kompenserar” för flera elektroner. Batterierna har dessutom potential att bli betydligt mindre miljöovänliga, säger Patrik Johansson.
För mer information:
Patrik Johansson, professor, institutionen för fysik, Chalmers, patrik.johansson@chalmers.se
Niklas Lindahl, forskare, institutionen för fysik på Chalmers och numera verksam på institutionen för fysik på Göteborg universitet,
0 76 622 91 36
niklas.lindahl@chalmers.se
Mer om forskningen bakom de nya resultaten:
I november 2015 vann Patrik Johanssons idé om ett nytt batterikoncept närmare en miljon kronor i en innovationstävling som arrangerades av kemikoncernen BASF. Hans team presenterade redan då en aluminiumbaserad batteriteknologi. Konceptet skulle dessutom ge både högre energitäthet och markant lägre råvarukostnader. Fyra år senare har idén blivit ett verkligt koncept genom ett tätt samarbete med National Institute of Chemistry i Slovenien. En av forskarna, Jan Bitenc, fick 2017 ett stipendium från Rune Bernhardssons grafenfond och fick därmed möjlighet att gästforska på Chalmers. Det innebar att de två forskargrupperna, med Göteborg som bas, kunde börja anta en utmaning tillsammans. Medan Chalmers stod för aluminiumanod och elektrolyt hade Jan Bitenc en organisk katod som visat sig fungera väl i magnesiumbatterier. Projektet blev starten till ett flerårigt samarbete där katodmaterialet utvecklades för att bli tåligare och mekanismerna som styr energilagringen analyserades.
Resultaten som visar att och hur det nya konceptet fungerar, har publicerats i tidskriften Energy Storage Materials. Artikeln ”Concept and electrochemical mechanism of an Al metal anode ‒ organic cathode battery” är skriven av Jan Bitenc, Niklas Lindahl, Alen Vižintin, Muhammad E Abdelhamid, Robert Dominko och Patrik Johansson.
Patrik Johansson och Robert Dominko är två av tre ledare för Europas största nätverk för batteriforskning: Alistore – European Research Institute (Alistore-ERI).
Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Energimyndigheten samt Chalmers styrkeområden för materialvetenskap och energi.
På väg mot nästa generations batterier:
Alla som har följt elbilsdebatten vet att dagens energitäta batterier innehåller litium. Metallen förväntas bli ännu dyrare än idag och kan bli en bristvara på grund av den ständigt ökande efterfrågan. Litiumjonbatterierna innehåller dessutom oftast metallen kobolt som bryts under dåliga arbetsförhållanden och eldar på konflikter i de länder där den utvinns.
Det pågår ett intensivt arbete på Chalmers när det gäller att ta fram mer hållbara alternativ för energilagring. Läs gärna fler artiklar om Chalmersbaserad forskning inom energilagring.
Grafensvamp kan göra framtidens batterier mer effektiva:
Nytt centrum för svenska batterier
Kolfiber kan lagra energi i karossen
Batteriidé från Chalmers vann internationell tävling i energilagring (artikeln är på engelska)
Taggar:
