Ny forskning: Skal fremtidens super-batterier laves af havvand?

Vi kender alle de genopladelige og effektive lithium ion (Li-ion) batterier, der sidder i vores smartphones, laptops og i stigende grad også i elektriske biler.

Desværre er lithium en begrænset ressource, så det kan blive svært at opretholde den enorme produktion af relativt billige batterier, som verden har brug for. Derfor søger forskere med lys og lygte efter alternativer til Li-ion batteriet.

Et lovende alternativ er at udskifte lithium med metallet natrium – dvs. at lave Na-ion batterier. Natrium findes i store mængder i havvand og kan nemt udvindes derfra.

Den næste store batteri-succes

-          Na-ion batteriet er stadig under udvikling, og der arbejdes bl.a. på at øge dets levetid, sænke opladningstiden og at lave nogle Na-ion batterier, der kan levere mange watt, siger forskningsleder Dorthe Bomholdt Ravnsbæk fra Institut for Fysik, Kemi og Farmaci på SDU.

Hun og hendes forskningsgruppe er optaget af at udvikle nye og bedre genopladelige batterier, der kan afløse de i dag så udbredte Li-ion batterier. For at Na-ion batterierne kan blive et reelt alternativ, skal der bl.a. udvikles bedre elektrode-materialer – noget, som hun og kolleger fra KU og Massachusetts Institute of Technology, USA, har kigget på i et nyt studie, der er publiceret i tidsskriftet ACS Applied Energy Materials. 

Men før vi kigger på detaljerne i dette studie, så lad os se på, hvorfor Na-ion batteriet har potentiale til at blive den næste store batteri-succes.

De moralske skrupler

-          En oplagt fordel er, at natrium er en meget let tilgængelig ressource, som findes i meget store mængder i havvand. Lithium derimod er en begrænset ressource, som kun udvindes få steder i verden, forklarer Dorthe Bomholdt.

En anden fordel er, at Na-ion batterier ikke behøver kobolt, som stadig er nødvendigt i Li-ion batterierne. Størstedelen af den kobolt, der i dag bruges til fremstilling af Li-ion batterier, udvindes i Den Demokratiske Republik Congo, hvor oprør, uorganiseret minedrift og børnearbejde skaber usikkerhed og moralske skrupler om landets kobolt-handel.

Og så tæller det også med på plussiden, at Na-ion batterier i store træk kan produceres på de samme fabrikker, som laver Li-ion batterier i dag.

Mangan gør hele forskellen

I deres nye studie har Dorthe Bomholdt Ravnsbæk og hendes kolleger undersøgt et nyt elektrode-materiale, der er baseret på jern, mangan og fosfor.

Det nye ved materialet er tilsætningen af grundstoffet mangan, som ikke alene giver batteriet en højere spænding (volt), men også bevirker, at batteriets kapacitet øges, og at det sandsynligvis vil kunne levere flere watt. Dette skyldes, at de omdannelser, der sker på atomart plan under af- og opladningen, ændres markant ved tilstedeværelsen af mangan.

-          Man har set lignende effekt i Li-ion batterier, men det er meget overraskende, at effekten bevares i et Na-ion batteri, da vekselvirkningen mellem elektroden og Na-ioner er meget anderledes end for Li-ioner, siger Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Kina tester

Hun vil ikke spå om, hvornår vi kan forvente at finde havvands-baserede Na-ion batterier i vores telefoner og el-biler, for der er stadig en del udfordringer, der skal løses.

Bl.a. kan det blive svært at lave små Na-ion batterier. Men store batterier har også værdi – fx til at lagre vind- eller solenergi.

I Kina blev der således i 2019 indviet et sådan gigantisk 100 kWh Na-ion batteri, som skal testes af kinesiske forskere ved Yangtze River Delta Physics Research Center. Gigant-batteriet består af mere end 600 forbundne Na-ion battericeller, og det leverer strøm til den bygning, som huser centret. Strømmen, som lagres i batteriet, er overskudsstrøm fra elnettet. 

Om forskeren
Dorthe Bomholdt er lektor og forskningsleder på Institut for Fysik, Kemi og Farmaci. Hendes forskning fokuserer særligt på at fremstille og undersøge nye materialer til genopladelige batterier. Forskningen er finansieret af Danmarks Frie Fond under Sapere Aude Programmet.