Image
""

Trinn for trinn bygger Anders Brennhagen et natriumionebatteri. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Her jakter forskerne på bedre, billigere og mer miljøvennlige batterier

Batterier er helt nødvendige for en fremtid med mer fornybar energi. Bli med inn i lab’en der forskerne tester morgendagens batteriteknologi.

Verden er i ferd med å elektrifiseres. Dermed blir vi stadig mer avhengige batterier. De siste tiårenes uendelige strøm av nye duppeditter hadde ikke vært mulig uten, og nå er også bilparken og skipstrafikken i stadig større grad drevet av strøm.

Batterier kan bli det neste store norske industrieventyret, ifølge NHO.

Bare i Norge er minst tre kjempestore batterifabrikker under planlegging. Disse skal lage litiumionebatterier, en teknologi som først kom på markedet i 1991, og som har vært en viktig forutsetning for all småelektronikken vi nå ser overalt rundt oss og også for utviklingen av elbiler.

– På forbrukermarkedet er det et kontinuerlig jag etter å lage batteriene mindre og mer og mer effektive, sier Vebjørn Bakken, direktør ved UiO:Energi.

Det er ikke uten grunn at størrelsen har vært så viktig.

– I en elbil vil du ha plass. Du vil at den skal kunne frakte deg og familien din også, ikke bare batterier, sier førsteamanuensis Alexey Koposov ved Kjemisk institutt.

""
Vebjørn Bakken (til venstre) og Alexey Koposov ser en stor fremtid for batteribransjen. Foto: UiO

Fortsatt forskes det verden over for å gjøre litiumbatteriene enda bedre og tryggere. Men det er også mange som ser etter andre løsninger, nye batteriteknologier, det som kan bli morgendagens batterier. Og da handler det om mye mer enn duppeditter og hverdagselektronikk.

– Det som kommer nå, er de virkelig store batterisystemene som kobles rett inn i strømnettet. Da er ikke størrelse og vekt lenger kritisk. Det skal bare være mest mulig kapasitet, sier Bakken til Titan.uio.no.

Dette henger tett sammen med at det satses på fornybar energi fra blant annet sol og vind.

– Sol og vind produserer litt ujevnt avhengig av vær og vind. Da har man et økende behov for lagring, sier Bakken.

Kjemien må stemme

– Batteriforskningen er et av de fagfeltene der utviklingen går raskest akkurat nå. Særlig når det gjelder kjemi, sier Koposov.

Batterier handler ikke bare om kjemi, men man kommer ikke langt uten den. Se bare på definisjonen av et batteri hos Store norske leksikon: Et batteri er en innretning som omformer kjemisk energi direkte til elektrisk energi.

– Batterier ville ikke vært mulig uten kjemien, men å ta denne kjemien i bruk handler om mye mer enn bare kjemi. Batteriet er et system som bruker kjemien, men det er også et stort ingeniørarbeid å sette dem sammen og gjøre dem trygge.

– Og ikke minst hvordan man skal lade dem, som er et spørsmål jeg som kjemiker ikke tenker så mye på, sier Koposov til Titan.uio.no.

Det hjelper ikke å lage verdens beste batteri hvis det ikke er mulig å lade det og fylle det med energi. Og selvfølgelig kunne hente energien ut igjen.

Fakta

Batterivekst

NHO antar at den globale etterspørselen etter batterilagringskapasitet vil tidobles fra 2020 til 2030.
Innen 2030 kan det omsettes for 90 milliarder kroner i en norsk batteriverdikjede.
Innen få år kan dette skape opptil 30 000 arbeidsplasser i Norge.

Kilde: Anbefalinger for industriell satsing på batterier i Norge, NHO 2021

Frykter mangel på litium

Noen frykter at det etter hvert skal bli mangel på litium, og uten litium kan man jo ikke lage litiumbatterier.

– Det som i hvert fall kan skje, er at prisen på litium går opp fordi det bygges kjempestore fabrikker over hele Europa, sier Koposov.

Et annet problem som har fått mye oppmerksomhet, er bruken av kobolt i elbilbatterier. Mye av kobolten stammer fra Den demokratiske republikken Kongo, og denne utvinningen har fått kritikk fra både menneskerettighets- og miljøvernorganisasjoner.

Derfor forskes det blant annet på å bytte ut litium med natrium.

– Natrium er et materiale vi kan høste i Europa. Ønsket om å gjøre batterier mer bærekraftige er en av drivkreftene bak denne utviklingen, sier Koposov.

Men før vi møter de fremsynte forskerne som leter etter nye batteriteknologier, må vi ta en liten tur innom den grunnleggende kjemien i et batteri.

""
Forskerne håper på grønt lys. Her testes batterier i lab'en på Kjemisk institutt. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Slik virker et batteri

De viktigste elementene i et batteri er det som kalles anode og katode, og mellom dem en væske som kalles elektrolytt. I tillegg må det være en ledning mellom anoden og katoden der elektroner kan bevege seg og dermed skaffe strøm til hva det nå måtte være som trenger energi.

Anoden og katoden, som også kalles negativ og positiv elektrode, er laget av ulike materialer. Anoden vil gjerne gi fra seg elektroner. Katoden vil gjerne ta til seg elektroner. Kjemiske reaksjoner ved anoden gjør at den kan sende elektroner gjennom ledningen til katoden.

I disse reaksjonene (som kalles redoksreaksjoner) mister anoden et atom som flyter gjennom elektrolytten til katoden. Dette atomet mangler et elektron, og det er derfor positivt ladet. Et ladet atom kalles et ion, derav navnet ionebatterier.

I et litiumionebatteri løsner et positivt ladet litiumion fra anoden. Samtidig fyker et elektron gjennom ledningen. De tar hver sin rute, men begge ender ved katoden. Når batteriet lades opp sendes ionene og elektronene tilbake til anoden.

Når forskere skal prøve å finne nye batteriteknologier, starter de selvfølgelig ikke på bar bakke. De ser etter muligheter for å forbedre eller erstatte anoder, katoder og elektrolytter de kjenner godt fra før.

– De fleste prinsippene er de samme. Ioner må flytte seg fra den ene siden til den andre siden, og det vil være en form for redoksprosess inne i bildet, sier Alexey Koposov.

Fra litium til natrium

I periodesystemet, der alle grunnstoffene er systematisert, ligger natrium rett under litium i kolonnen helt til venstre. Det betyr at de har egenskaper som ligner hverandre. Men det er ikke bare å ta ut litium og sette natrium inn isteden.

– På anodesiden i litiumionebatterier bruker man nesten alltid grafitt, en form for karbon, men det funker ikke i det hele tatt for natrium, sier stipendiat Anders Brennhagen.

""
Anders Brennhagen må jobbe i et kammer fylt med argongass. Materialene han bruker tåler ikke luft. Foto: Eivind Torgersen/UiO

I et litiumbatteri legger litiumionene seg mellom lagene i krystallstrukturen i grafitten uten at det blir store forandringer i selve strukturen. Brennhagen jobber med natriumbatterier og må bruke andre materialer enn grafitt i anoden. Problemet er at disse materialene forandrer struktur når ionene kommer inn.

– Mine materialer kan ta inn mye mer natriumioner og derfor få mye høyere kapasitet. Men siden det er såpass store endringer i strukturen til materialet, er det vanskelig å få kapasiteten til å bli stabil over veldig mange opp- og utladninger, sier Brennhagen.

I doktorgraden sin håper han å komme nærmere en løsning. Det betyr runde etter runde i laboratoriet. Lykkes han, kan belønningen være stor.

Billigere og snillere

– Natriumionebatterier kan bli et mer miljøvennlig alternativ til litiumionebatterier. De kan også bli billigere og mer bærekraftige, sier Brennhagen.

I jordskorpa er det mer enn 1000 ganger så mye natrium som litium, og natrium kan man finne overalt. Man blir ikke avhengig av de få landene som har mye litium. Natrium kommer nok ikke til å erstatte litium, men natriumbatteriene kan ha sine fordeler innenfor noen bruksområder.

– Litiumionebatterier vil etter all sannsynlighet alltid ha høyere energitetthet enn natriumionebatterier, men det er ikke alltid du trenger det aller beste. Iblant har pris mye mer å si, og da kan natriumionebatterier være bra, sier Brennhagen.

– Foreløpig er det såpass billig med litiumionebatterier, og den teknologien er velutprøvd, så det er lettere å gå til den, sier Brennhagen.

Samtidig har teknologien med natriumbatterier kommet langt nok til at den er klar hvis muligheten byr seg.

– Om det er noen som har lyst til å lage industri med natriumionebatterier nå, lar det seg helt fint gjøre.

– Det finnes allerede prototyper av velfungerende natriumionebatterier, men det krever storsatsing på både material- og batteriproduksjon for at det virkelig skal kunne konkurrere med litiumionebatterier, sier Brennhagen.

Selv må han smøre seg med tålmodighet.

– De materialene jeg jobber med, er fortsatt i et tidlig stadium av forskningen. Det vil i hvert fall ta ti år før det er på markedet, sier Brennhagen.

Utenpå står det at dette er et litiumionebatteri, men det er det ikke. Det er et natriumionebatteri som Anders Brennhagen har bygget. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Kalsium – dobbel ladning

I kolonnen til høyre for litium og natrium, hvis vi nå går tilbake til periodesystemet, ligger kalsium. Kalsium er det enda mer av i jordskorpa enn natrium.

– Det er mer enn nok kalsium i verden, så det er i hvert fall ikke noe problem med tilgang til materialer. Kalsium er også et stoff man kjenner godt, sier Vebjørn Bakken.

Kjemikerne har flere grunner til å se nærmere på kalsium når de jakter på nye batteriteknologier.

– Den store fordelen med kalsium er at for hvert atom så flyttes to ladninger. Med litium og natrium er det bare én. Problemet med kalsium er at kjemien blir mer komplisert. De kjemiske prosessene endrer seg bitte litt, men det er nok til at vi må prøve ut alt på nytt, sier Alexey Koposov.

– Kalsium er dessuten mye mindre farlig enn litium og natrium. Kalsium er ikke eksplosivt, sier forsker Carmen Cavallo ved Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi.

Hun må ha flere tanker i hodet samtidig, hun skal nemlig lage et komplett batteri med anode, katode, elektrolytt og hele pakka. Men første skritt er en anode som virker med kalsium.

– Kalsium er litt større, tyngre og tregere enn litium og natrium. Det største problemet er derfor å flytte kalsium frem og tilbake mellom anode og katode, sier Cavallo.

""
Carmen Cavallo og kollegaene hennes er den første lab'en i Norge som prøver å lage kalsiumbatterier. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Blander med norsk silisium

For å gjøre det lettere kan hun blande kalsium med andre stoffer. Det er flere kandidater, men Cavallo satser på silisium.

– Jeg lager en legering av kalsium og silisium fordi vi i Norge har veldig mye silisium. Det gjør materialet mitt billigere, sier hun.

– Denne teknologien er på et veldig tidlig stadium og foreløpig er det fundamental grunnforskning. Jeg håper å ha en prototype klar mot slutten av neste år, men et komplett batteri kommer tidligst i 2024, sier Cavallo.

Selv da er veien lang før det eventuelt finner veien ut på batterimarkedet. Hun trøster seg med at det lå flere tiår med forskning bak da litiumionebatteriene så dagens lys. Cavallo ser særlig for seg at kalsiumbatterier kan gjøre nytte for seg til sjøs.

– Kalsiumbatterier kan lagre dobbelt så mye strøm som litium og natrium, så jeg sikter først og fremst mot bruk i skipsfarten, sier hun.

Faste batterier uten brannfare

Cavallo har flere utfordringer som venter. Hun har nemlig lyst til å kvitte seg med den flytende elektrolytten og erstatte den med et fast stoff.

Det kan gjøre hverdagen tryggere for oss alle. Hvem har ikke blitt skremt av skrekkhistorier om mobiltelefoner som eksploderer? I slike tilfeller er det elektrolytt fra batteriet som er synderen.

– Nåværende litiumionebatterier har brennbare elektrolytter. Jeg tror de fleste elbilprodusentene kunne tenke seg litiumbatterier i fast form, sier Alexey Koposov.

– Flytende elektrolytt tåler ikke å komme i kontakt med luft. Hvis et batteri ved et uhell sprekker eller går i stykker, vil elektrolytten ta fyr, sier Cavallo.

Et av problemene med å lage et faststoffbatteri er at det skal være, ja, fast. Selv for en som ikke kan kjemi, er det lett å se for seg ioner som beveger seg frem og tilbake i en væske. Men i et fast materiale? Det høres verre ut.

Stipendiat Carina Geiss ved Kjemisk institutt jobber med å finne en fast form for elektrolytt.

– Jeg tror vi kan komme ganske tett opptil det som er mulig i flytende elektrolytt, og det er bra nok, sier Geiss.

Spagetti-sandwich

Til dette benytter hun seg av forbindelser som kalles polymerer. Dette er kjemiske forbindelser som består av kjedeformede molekyler og de er den viktigste komponenten i plastprodukter.

– Min polymerelektrolytt ser ut som en tynn membran, men når du ser nærmere på den, består den av ulike polymerkjeder. De ser nesten ut som spagetti, sier Geiss.

Når den varmes opp, eller hvis hun tilsetter de riktige ingrediensene i materialet, begynner disse kjedene å bevege seg. Som lange tråder med kokt spagetti som bølgende beveger seg opp og ned. Dermed oppstår det små lommer mellom dem der ionene, som er så viktig i et batteri, kan oppholde seg.

– Når polymerkjeden beveger seg, skaper den hele tiden nye tomrom, nye lommer. Det kan oppstå nye rom der et ion heller vil være, og dermed hopper det videre.

– Jo mer kjedene beveger seg, desto mer oppmuntrer de ionene til å hoppe videre, sier Geiss.

Ionene vil gjerne komme seg fra den ene til den andre siden, avhengig av om du bruker strøm eller om du lader opp batteriet.

– Ionene følger det kjemiske potensialet. Akkurat som vann renner ned en bakke og ikke opp. Når du lader et batteri, kan det sammenlignes med at du tvinger vann til å renne oppover. Når du bruker batteriet, lar du bare vannet renne nedover, forklarer Geiss.

For å gjøre dette så effektivt som mulig har hun tenkt å lage en batteri-sandwich ved å presse sammen anode og katode, med en smeltet elektrolytt imellom.

– Det blir nesten som en sandwich, der elektrolytten er osteskiven. Ved å smelte elektrolytten inn i porene i anoden oppnår vi best mulig kontaktflate. Og jo tynnere osteskiven er, desto kortere vei er det for ionene, sier Geiss.

""
Carina Geiss følger med på hvordan testbatteriene klarer seg. Foto: Eivind Torgersen/UiO

En revolusjon

Hun må også mikse inn andre materialer i polymerkjedene sine fordi polymerer har ganske dårlig ledningsevne.

– Hvis vi blander biter av keramiske stoffer eller andre materialer inn i polymerkjedene, kan vi få det beste av to verdener. Vi får en god kontaktflate mellom elementene i batteriet, og vi får bedre ledningsevne, sier Geiss.

Enkelte bilprodusenter har varslet at faststoffbatterier kan bli å se i elbiler allerede i 2025. Hvis alt går etter planen. Når faststoffbatteriene kommer for fullt, vil ikke verden lenger være den samme.

– Når faststoffbatteriene blir generelt tilgjengelige, vil det være en liten revolusjon. Det kommer til å gi en boost i rekkevidden til elbiler og elektriske båter. Til og med fly blir da i større grad innenfor rekkevidden til batteriene, sier Vebjørn Bakken.

På grunn av farene som er forbundet med flytende elektrolytt, må dagens batterier pakkes godt inn når de brukes i for eksempel biler. Dermed tar de større plass, og de veier mer.

– Den store fordelen med fast elektrolytt er at batteriet ikke kan lekke. De er ikke eksplosive. De er mye tryggere, og du kan spare både plass og vekt i elbilen, sier Geiss.

Norge har tre fortrinn

Det er ikke lett å spå hvordan batterinæringen vil se ut om 10, 20 eller 30 år. Men forskerne er ikke i tvil om at nye teknologier vil komme.

– Det er veldig vanskelig å forutse slike gjennombrudd. Men det er så mange som jobber med dette nå, at jeg tror de vil komme. Jeg tror vi vil ha natriumionebatterier i bruk til stasjonær lagring om ti år. Da håper jeg at vi også vil ha litiumionebatterier i fast form, sier Alexey Koposov.

– Jeg tror vi kommer til å se mange ulike nisjer her hvor det er ulike egenskaper ved batteriene som blir vektlagt. Det vil bli rom for ganske ulike typer batterier. Dette er et enormt marked med mange forskjellige bruksområder, sier Vebjørn Bakken.

Han tror også Norge kan finne en plass i dette markedet og nevner tre fortrinn vi har:

– Den største av dem er tilgangen på ren strøm, på fornybar elektrisitet. Selv om det kommer til å bli diskusjoner når man bygger ut, så kommer man til å trenge mer elektrisitet. På sikt er det kanskje flytende havvind som er den beste muligheten i Norge, der konfliktene er mindre enn med landbasert vind. Men også solenergi vil bidra, selv her i landet.

– Det andre fortrinnet er at vi har god plass. Batterifabrikker tar masse plass, rett og slett. For det tredje trenger de kjøling, og i Norge har vi generelt god tilgang til kjøling med vann, sier Bakken.

""
Carmen Cavallo, Anders Brennhagen og Carina Geiss tilbringer time etter time i laboratoriet. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Bidrar til en grønnere verden

Verden trenger flere, bedre og mer miljøvennlige batterier. For Carina Geiss, Carmen Cavallo og Anders Brennhagen er dette noe av motivasjonen for at de holder ut det nitide arbeidet og de mange og lange dagene med eksperimenter i laboratoriet.

– Det er egentlig hovedgrunnen til at jeg begynte å forske på batterier. Jeg ville jobbe med noe innenfor fornybar energi for å bidra til en renere fremtid, sier Brennhagen.

– Det er spennende å være med å legge til rette for fremtidens teknologi. Det er gøy å se hvordan verden forandrer seg og beveger seg mot grønnere energiløsninger, sier Cavallo.

Som med all forskning på et så fundamentalt nivå, der de må zoome inn på de aller minste detaljene i de kjemiske prosessene, er det ikke gjort i en håndvending å komme opp med nye produkter.

– Vi har fortsatt en lang vei å gå, men det er spennende å være med på å drive utviklingen mot bedre, grønnere og mer bærekraftige batterier, sier Geiss.