Genopladelige batterier

Lithium-ion

Særligt udviklingen af Litium-ion batterier, der første gang blev brugt af Sony i 90’erne har, på grund af deres højere energi-tæthed og lange levetid, haft afgørende betydning for, hvad vi i dag bruger batterier til, og hvor udbredte de er.

Lithium-ion-batteriet fungerer i brug ligesom sine forgængere f.eks. blysyre-batteriet. Dog med den fordel, at ydelsestabet er relativt mindre i forbindelse med afladning. Det er blandt andet med til at gøre det anvendeligt i bilindustrien.

Lithium-ion batterier bruger ofte grafit som anode. Derudover kan de være sammensat af forskellige materialer som silicium, jern, fosfat, nikkel, mangan, kobolt og aluminium.

Fælles for de mest almindelige materialekombinationer i Lithium-ion batterier er, at de ofte indeholder sjældne materialer. Materialer, der i løbet af batteriets livscyklus kan forrette skade på miljøet, eller materialer, der kræver en del energi at udvinde og producere.

Lithium-ion batterier har således mindst tre udfordringer, der gør dem mindre egnede til på lang sigt at indgå i et helt fossilfrit energisystem:

• Energitætheden er for lav
• De produceres stadig med brug af sjældne materialer, energikrævende eller potentielt miljøskadelige processer.
• De tager for lang tid at oplade.

Derfor er der brug for at udvikle nye og mere effektive batteri-teknologier. Det kan blive afgørende for, hvor hurtigt elektrisk energi fra vedvarende energikilder som sol og vind kan integreres i alle sektorer i fuld skala.

Solid State

Noget der ikke der ikke er en helt ny måde at tænke batterier på, men en videreudvikling af Lithium-ion teknologi, og som derfor har kunnet udvikles hurtigere, er solid state batterier, som kan være lige på trapperne.

Solid state er så at sige det kendte lithium-ion-batteri, men i fast form, hvor elektrolytten (forbindelsen mellem anode og katode) er glasbaseret – og altså fast (solid) frem for flydende.

Det giver en række fordele. Blandt andet skulle solid state batterier blive mere brandsikre, tilbyde en markant hurtigere opladningstid og en rækkevide på mellem halvanden og to gange, så meget som de Lithium-ion-batterier, vi har til rådighed i dag.

Et skridt i den rigtige retning, men ikke nok til at skibe kan sejle kloden rundt eller at fly kan krydse Atlanten. Og som fleksibilitet i elnettet, hvor batterier kan bruges til at lage sol- og vindenergi er det slet ikke nok.

I mange eksisterende brugsområder som f.eks. biler tilbyder solid state batteriet dog mærkbare fordele og eksperter forventer at solid-state-batterier kan introduceres om ca. 5 års tid.

Lithium-air

Lithium-air batterier er et eksempel på en helt ny generation af batteriteknologi, og potentialet er stort, fordi ilt erstatter en række af de elementer, vi finder i fast eller flydende form i eksisterende batterier.

Og fordi ilt kan tilføres kontinuerligt fra omgivelserne i stedet for at opbevares i store mængder inde i battericellerne, kan lithium-air-batterier teoretisk tilbyde en energitæthed, der er 10 gange større end lithium-ion-varianter.

5.000 – 10.000 km. pr opladning i en bil er f.eks. inden for rækkevidde, men det virkelige gennembrud ligger i, at energitætheden kan komme tæt på fossilt brændstof, og hvis man ovenikøbet indregner, at energitabet i elmotorer er betragteligt mindre end forbrændingsmotorers, og at ladetiden kan blive en brøkdel af kendte lithium-ion batterier, så baner lithium-air vejen for en komplet udfasning af fossile brændstoffer i alle sektorer.

Lithium-air batterier er dog stadig på et meget tidligt udviklingsstadie, og der er stadig mange barrierer for, at batteriet bringes i produktion.

Hvad forsker DTU i?

Den store udfordring lige nu er dog ikke at udvikle bedre batterier, for det er de fleste forskere enige om, at vi kan.

Problemet er i stedet, at batteriudvikling, bl.a. fordi det er baseret på fysiske materialetests, tager lang tid. Det tog således 20 år at udvikle Litium-ion batteriet og med næste generation, som f.eks. kunne blive Lithium-air eller flow-batterier, som er mere bæredygtige, billigere og egner sig til opsamling af energi fra el-nettet, skal det gerne gå meget hurtigere.

Og netop fordi de virkeligt store skridt inden for batteri-teknologien stadig kræver meget udvikling, mange tests og masser af beregninger baseret på store mængder data arbejder DTU bl.a. for at accelerere udviklingsprocessen gennem etableringen af fælles data-baseret infrastruktur og automatisk deling og udnyttelse af data på tværs af alle dele af værdikæden for udvikling af batterier.

På denne måde bliver det muligt at kombinere kunstig intelligens med computersimuleringer og avancerede fysiske modeller, samt stor-skala eksperimenter og autonome synteserobotter, til langt hurtigere at kunne forudsige virkningen af nye materialesammensætninger og designe bedre batterier.

Ved både at koble fysiske og menneskelige ressourcer ud af de dele af test og udviklingsfasen, hvor det er muligt, kan man at finde nye løsninger langt hurtigere, end vi kan gøre i dag.