Nyt superbatteri er ladet med svovl og sukker

Afløser en 30 år gammel succes

Når den nye batteritype kommer på markedet, bliver den en længe ventet afløser for de litium-ion-batterier, som har tjent os godt siden begyndelsen af 1990’erne.

Grundlæggende virker de to batterier ens. De indeholder to elektroder adskilt af en såkaldt elektrolyt, dvs. en væske, som ioner, men ikke elektroner, kan ledes igennem. Ionerne er atomer, som har smidt en elektron fra sig. Når vi oplader batteriet, vandrer de positivt ladede ioner fra litium-elektroden over til den anden elektrode, som typisk består af grafit, dvs. kulstof. Her oplagres ionerne i hulrum mellem kulstofatomerne.

Når vi bruger batteriet, og det aflades, går processen den modsatte vej. Igen er det kun ionerne, der bevæger sig gennem væsken inde i batteriet. Via ledninger koblet til elektroderne kan de løse elektroner derimod bevæge sig ud af batteriet og gennem det kredsløb, batteriet skal levere strøm til – fx motoren i en elbil.

Jo flere ioner batteriet kan ophobe i den anden elektrode, desto større bliver den såkaldte energitæthed, hvilket er målet for, hvor meget strøm vi kan lagre i batteriet.

Energitætheden i en elektrode af svovl er helt op til fem gange større end i de grafit-elektroder, som traditionelt indgår i vores litium-ion-batterier. Netop derfor har forskere i årtier forsøgt at få litium-svovl-batteriet til at fungere.

Problemet har været batteriets holdbarhed. I litium-svovl-batteriet får de gentagne op- og afladninger svovlet til at svulme op og trække sig sammen, så elektroden efter kort tid begynder at sprække. Forskerne har derfor ikke kunnet presse mere end omkring 50 ladecyklusser ud af batterierne. Desuden har litium-svovl-batterierne været belastet af en anden indbygget lidelse, som begrænser holdbarheden.

Efterhånden som litium-ionerne vandrer frem og tilbage mellem elektroderne, danner nogle af dem kemiske forbindelser med svovlet, så der opstår såkaldte polysulfider.

Det betyder, at ionerne trækker noget af svovlet med tilbage til litium-elektroden, hvor det ikke hører hjemme. Her sætter det sig på overfladen af elektroden som en belægning, der med tiden nedbryder litium-elektroden og forringer batteriets ydeevne og levetid.

Sukkertilskud løser problemerne

Begge problemer ser nu endelig ud til at være løst med de australske forskeres enkle middel: at tilføre et bindemiddel af glukose, dvs. sukker, til svovl-elektroden.

Sukkertilskuddet får svovlet til at danne en ny struktur, som både gør det mindre skrøbeligt og giver bedre plads til, at litium-ionerne kan binde sig til elektroden. Samtidig viser forskernes eksperimenter, at sukkeret hæmmer dannelsen af polysulfider, så der opstår langt færre belægninger på litium-elektroden.

Tilsammen betyder de to effekter, at forskernes prototype kan klare omkring 1000 ladecyklusser, hvilket bringer batteriet op i samme liga som de traditionelle litium-ion-batterier.

De australske forskere hentede sukkertricket fra en forskningsartikel fra 1988. Ved et tilfælde faldt en af universitetets ph.d.-studerende, Yingyi Huang, over artiklen, som beskriver, hvordan sukker kan binde svovlforbindelser i jord. Hun foreslog straks professor Mainak Majumder at prøve det samme i svovl-elektroden.

Ved at lade sig inspirere af tre årtier gammel forskning inden for et helt andet felt fandt forskerne dermed frem til den opskrift, der kan bane vejen for litium-svovl-batteriernes store gennembrud.

Energitætheden i den nye batteritype vil især gøre en stor forskel for elbilerne. Bilproducenterne kæmper med at få elbilerne til at køre langt på en opladning, uden at batterierne kommer til at fylde og veje for meget.

Den samlede vægt af en elbils batteripakke varierer, men et batteri på 80 kWh i en elbil med en lang rækkevidde på op mod 500 km vejer omkring 500 kg og udgør dermed ca. 25 procent af bilens vægt.

I dag kan litium-ion-batterier nå en energitæthed på op til ca. 250 watt-timer pr. kg batteri. Litium-svovl-batterierne kan to- eller tredoble dette tal til 500 eller 750 watt-timer pr. kg og dermed fordoble eller tredoble elbilens rækkevidde, så den kommer helt op omkring 1500 km.

Det betyder, at elbilen for første gang vil kunne konkurrere med brintdrevne biler, som er det andet grønne alternativ til benzinbilen.

Og måske vil det med tiden blive endnu bedre. Teoretisk kan den nye batteritype femdoble rækkevidden, så den ender oppe på 2500 km.

Det nye batteri skåner miljøet

Litium-svovl-batteriet vil ikke bare matche vores nuværende batterier på holdbarhed og energitæthed. Det vil også lette den klima- og miljøbelastning, som i dag knytter sig til vores batteriproduktion.

Traditionelle litium-ion-batterier indeholder flere sjældne grundstoffer, bl.a. kobolt, som stabiliserer litium-elektroden og gør den bedre til at afgive og optage ioner. I de nye svovlbaserede batterier er kobolt ikke nødvendigt, og det er en stor fordel.

Udvindingen af kobolt fra åbne miner kræver brug af store gravemaskiner og lastbiler, og minedriften er derfor hård ved det lokale miljø og udleder store mængder CO₂.

Desuden er kobolt et sjældent metal, vi risikerer at løbe tør for. Det Internationale Energiagentur IEA vurderer, at udvindingen af kobolt allerede i 2030 ikke vil kunne følge med efterspørgslen. I dag udvindes to tredjedele af alt kobolt i Den Demokratiske Republik Congo, hvor menneskerettighedsorganisationer rapporterer om farlige arbejdsforhold og brug af børnearbejdere under minedriften.

Af alle disse grunde vil det være en stor gevinst, hvis det nye litium­-svovl-batteri kan eliminere behovet for kobolt. Og svovl har vi nok af. Det er det tiende mest udbredte grundstof på kloden og et almindeligt affaldsprodukt fra industrien.

Endnu et problem med litium-ion-batterierne er sikkerheden. Batterierne kan antænde spontant ved kortslutninger i batteriet, som fx skyldes fysiske skader på batteripakken. Brandfarligheden forstærkes af, at der i forbindelsen mellem litium og kobolt i den ene elektrode også indgår ilt.

Litium-svovl-batteriernes elektroder indeholder ikke ilt, og derfor vurderer forskerne, at de er mindre brandfarlige end deres forgængere.

Batterifabrik er klar om fem år

Forskerne fra Monash University har stadig nogle problemer at løse, før litium-svovl-prototypen kan tage springet fra laboratoriet til produktion i stor skala. Problemet med belægningerne på litium-elektroden er ikke løst helt tilfredsstillende endnu, men forskerne er fortrøstningsfulde. Det samme er deres private samarbejdspartner, virksomheden Enserv Australia.

“Vi planlægger at fremstille de første litium-svovl-batterier i Australien inden for omkring fem år,” oplyser firmaets direktør Mark Gustowski.

Meget taler dermed for, at det bliver litium-svovl-batteriet, som først udfordrer nutidens litium-ion-batterier.

Men også andre batterityper er under udvikling. Fælles for dem er, at de bringer nye grundstoffer i spil i batteriet, hvilket både medfører styrker og svagheder.

Et af de koncepter, forskerne arbejder på, er litium-luft-batteriet. Her fungerer ilt fra almindelig luft som den ene elektrode. Litium-luft-batterierne kan i teorien opnå en ti gange så stor energitæthed som et litium-ion-batteri – og dermed en dobbelt så stor tæthed som litium-svovl-batteriet.

Problemet er, at forskerne har svært ved at gøre batterierne holdbare nok, så de kan tåle mange op- og afladninger.

Et andet alternativ er de såkaldte solid-state-batterier, som i stedet for en væske-elektrolyt er forsynet med en elektrolyt i fast form. Indtil videre er batteritypen blevet brugt til mindre apparater, fx pulsmålere og pacemakere, hvor faktorer som energitæthed og brandsikkerhed er helt afgørende.

Her betyder det mindre, at materialeomkostninger er høje, hvilket netop er solid-state-batteriernes svaghed.

Rent prismæssigt er der stort potentiale i en tredje batteritype: natrium-ion­-batteriet. Her er litium­ skiftet ud med natrium. Mens litium er en begrænset ressource, har vi natrium til overflod, da vi bare kan udvinde det fra saltet i havene. Desværre er energitætheden i na­trium­-ion-batterier ikke særlig stor.

Litium vil derfor fortsat spille hovedrollen i de fleste af vores batterier. Det er dog vigtigt, at vi bliver bedre til at genbruge metallet, så vi ikke løber tør. Hvis det lykkes, kan det nye litium-svovl-batteri blive den mobile strømkilde, som holder os kørende i mange årtier fremover.