Vad har en smartphone, en laptop och en elbil gemensamt? Antagligen flera saker, men den jag tänker på just nu är att de kräver kompakta, säkra, uppladdningsbara batterier. Idag betyder det i regel ett så kallat litium-jon-batteri.
Som i andra batterier (och bränsleceller, faktiskt) är huvudbeståndsdelarna i ett litiumbatteri två elektroder, en positiv och en negativ, åtskilda av en elektrolyt. I fallet med litiumbatterier består den negativa elektrolyten ofta av ett poröst kolmaterial som kan lagra litiumjoner (grafit till exempel), medan den negativa är en kemisk förening av litium och andra grundämnen, ofta kobolt och syre. När batteriet laddas upp flyttar sig positiva litiumjoner från den negativa elektroden genom elektrolyten till den positiva elektroden, där de blir inbäddade i kolmaterialet. Om du sen slår på mobilen eller datorn, eller startar elbilen, börjar batteriet laddas ur. Då flyttar sig litiumjonerna tillbaka till den negativa elektroden, vilket driver en ström av elektroner från den positiva elektroden, genom kretsarna i telefonen eller bilen, tills de återförenas med litiumjonerna i den negativa elektroden.
Nåja, i själva verket är det inte riktigt så enkelt, till stor del på grund av just elektrolyten. Elektrolyten behöver ha egenskaperna att den kan transportera litiumjoner snabbt, samtidigt som den inte får släppa igenom några elektroner (för då blir det kortslutning). I litiumbatterier brukar lösningen på detta vara salter av litium upplösta i vad man kallar ett organiskt lösningsmedel, alltså någon typ av kolväte i vätskeform.
Att ha en vätska i batteriet har sina sidor bara det - den kan ju till exempel läcka ut om det går hål. I just det här fallet finns det dessutom två andra problem. Det ena är att lösningsmedlen är lättantändliga. Det andra är att om de här lösningsmedlen och metalliskt litium funkar ungefär som vatten och olja - de trivs inte ihop. Visserligen ska inte uppladdningsbara litiumbatterier innehålla metalliskt litium, men när de laddas upp kan det bildas metalliskt litium på den positiva elektroden. På grund av hur litium funkar ihop med elektrolyten bildas det då långa nålar eller stavar av litium, ofta kallade dendriter. När dendriterna blir så långa att de når den andra elektroden kortsluts batteriet och det blir väldigt varmt, vilket kan sätta eld på elektrolyten och orsaka en explosion. I moderna litiumbatterier undviker man det här bland annat genom att styra vid vilken spänning batteriet laddas.
Men visst vore det bättre om man kunde hitta en säkrare elektrolyt? Det är det många som tycker, bland annat professor John Goodenough vid Cockrell School of Engineering, University of Texas, Austin. Goodenough med kollegor har nyligen publicerat en artikel i tidskriften Energy and Environmental Science, där de beskriver en helt ny elektrolyt för litium- och natriumbatterier. Den nya elektrolyten är inte en vätska utan ett "glas" - inte som i fönsterglas, utan i betydelsen att atomerna inte sitter i ordning utan lite huller om buller. Det här glaset funkar tydligen betydligt bättre ihop med metalliskt litium, vilket leder till att om det bildas metalliskt litium vid uppladdningen kommer det att sprida sig över gränsskiktet mellan elektroden och elektrolyten istället för att utvecklas till dendriter. Faktum är att Goodenough et al. ser möjligheter att använda metalliskt litium i sig som elektrod, vilket skulle kunna minska batteriets volym.
Utan dendriter, brandrisk och läckage skulle ett batteri med den nya glaselektrolyten kunna vara betydligt säkrare än dagens batterier, men det finns en annan sak som nästan är mer spännande: Man tror att man ska kunna använda den till natriumbatterier, inte bara litium. Natriumjonen är mycket större än litium och tidigare har man inte kunnat använda den i batterier för att transporten genom elektrolyten blir för långsam. Nu hävdar Goodenough med kollegor att den nya elektrolyten kan transportera natrium tillräckligt fort, vilket skulle innebära stora fördelar. Medan litium bara kan utvinnas på ett fåtal latser världen över, och därför är rätt dyrt, finns natrium i regel nära till hands (i vanligt koksalt, NaCl, till exempel). Natriumbatterier skulle därför kunna var ett bättre alternativ om man vill ersätta stora mängder bensindrivna bilar med elbilar - och det verkar det ju finnas många som vill.
Om man vill läsa mer om detta, men inte vill läsa den vetenskapliga artikeln (som faktiskt är tillgänglig gratis, tack Royal Society of Chemistry) har IEEE Spectrum skrivit om den här.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar