Nobelpriset i kemi 2019 belönade utvecklingen av litiumjonbatterier. Dessa batterier har bland annat banat vägen för lagring av solel.
Text Malin Otmani
Förra årets Nobelpris i kemi gick till John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino, för deras utveckling av litiumjonbatteriet. Detta lätta, laddningsbara och kraftfulla batteri används idag i allt ifrån mobiltelefoner till elbilar. Det kan även lagra betydande mängder energi från sol- och vindkraft och har bidragit till utvecklingen av ett fossilfritt samhälle.
Från oljekris till revolution
Utvecklingen av litiumjonbatteriet tog fart under oljekrisen på 1970-talet, då man började utveckla metoder som kunde leda fram till fossilfria teknologier. Stanley Whittingham, som på den tiden arbetade på Exxon, upptäckte ett extremt energirikt material som han skapade litiumbatteriets katod av.
– Under den stora gaskrisen på 70-talet bestämde sig Exxon och andra företag att bli energiföretag, inte bara oljeföretag, och de ville utveckla batterier för elbilar. Det var det som fick oss att börja, beskriver Whittingham i en intervju med wskg.org.
Katoden som Whittingham tog fram bestod av titandisulfid som på molekylnivå formar hålrum som kan härbärgera, interkalera, litiumjoner. Anoden var gjord av metalliskt litium som har en stark driv-kraft att släppa ifrån sig elektroner. Batteriet hade stor potential men nackdelen var att metalliskt litium är reaktivt och batteriet blev för explosivt.
John Goodenough visade 1980 att koboltoxid med interkalerande litiumjoner kunde producera så mycket som fyra volt, vilket resulterade i mycket mer kraftfulla batterier än tidigare. När han tog emot Nobelpriset i december var han den äldsta pristagaren någonsin som tagit emot det, 97 år. Goodenough har trots sin höga ålder inte lagt forskningen åt sidan utan arbetar fortfarande på Uni-versity of Texas i Austin. Han har inte heller gett upp hoppet om att utveckla ett superbatteri, som ska ge elbilarna ordentlig konkurrenskraft och öka lagringen av sol- och vindkraft. I en intervju med Quartz från 2015 säger han att han tror att området har tre decennier på sig att lyckas och att kommersialisera ett genombrott innan riktigt allvarliga klimatproblem börjar uppstå och innan vi får brist på resurser.
Det första kommersiella litiumjonbatteriet togs fram av Akira Yoshino 1985. Istället för reaktivt litium använde han sig av petroleumkoks, ett kolmaterial som kan interkalera litiumjoner. Hans batteri blev lätt och hållbart och det kunde laddas hundratals gånger om innan det förlorade sin prestanda. I början på 1990-talet började elektronikföretaget Asahi Kasei, där Yoshino var anställd, sälja de första litiumjonbatterierna och de spred sig som en löpeld över världen.
Alternativ till kobolt och litium
Den stora fördelen med litiumjonbatteriet, och anledningen till dess stora genombrott, är att det inte bygger på kemiska reaktioner som bryter ner elektroderna, utan på att litiumjoner flödar fram och tillbaka mellan anod och katod. Batterierna har en hög energitäthet och kan därför göras mycket små. Tack vare litiumjonbatteriet har mobiltelefonerna kunnat bli mindre, datorerna har blivit bärbara och surfplattor utvecklats, beskriver Kungliga Vetenskapsakademien i sitt tillkännagivande av priset. Forskarna har också fortsatt att förfina och utveckla batteriet.
Tillverkningen innebär dock fortfarande en miljöbelastning, då pluspolen till stor del består av den sällsynta och dyra metallen kobolt. I vissa områden i världen utvinns den även under bristande förhållande för de anställda. När batterierna förbrukas finns det även risk att kobolt och flor sprids i naturen. Många forskare arbetar därför med att hitta alternativ. Goodenough och hans kollegor har till exempel utvecklat en ny sammansättning av ämnet i katoden. De har lyckats minska mängden kobolt och istället öka mängden nickel, vilket har minskat kostnaden, ökat lagringskapaciteten och förlängt tiden mellan laddningarna. Nu ska metoden verifieras i större skala.
Även alkalimetallen litium är en bristvara och den förväntas bli ännu dyrare på grund av den ständigt ökande efterfrågan. Forskare vid Chalmers universitet och National Institute of Chemistry i Slovenien har därför tagit fram ett nytt aluminiumbatteri där de två batteripolerna – anod och katod – består av aluminium respektive ett organiskt material som är uppbyggt av den kolbaserade molekylen antrakinon. Till dessa batterier finns det gott om råvara och både kostnaden för produktionen och miljöpåverkan kan minska, tror forskarna.
Lagring av solkraft
När det gäller lagring av el från solceller har litiumjonbatteriet betytt mycket för kapaciteten, men på grund av tidigare nämnda problem i form av tillgång, miljöbelastning och bristande arbetsförhållanden skulle vi i framtiden, och för en expansion på området, behöva billigare, mer miljövänliga batterier som kan återvinnas lätt och effektivt.
– Det måste finnas en bra processkedja för detta. Det finns det för gamla batterier, som blysyrabatterier och nickelkadmiumbatterier, men inte för moderna litiumjonbatterier. Samtidigt ska de ha hög energitäthet, hög effekthantering och en lång livslängd, säger Daniel Månsson, universitetslektor vid avdelningen för elektroteknisk teori och konstruktion på KTH.
Han berättar att man bland annat tittar efter ämnen som är vanligt förekommande i jordskorpan eller som lätt kan brytas ner och/eller återvinnas.
– En hel del av forskningen tittar på batterier kring NaS som en lösning till stationär lagring men de kommer inte passa för mer mobila applikationer såsom elektronik eller elbilar. Även det som kallas flödesbatterier är intressant, säger Månsson.
Flödesbatteri är en typ av elektrokemisk cell där elektrolyten innehåller energin. Det mesta av elektrolyten befinner sig i tankar utanför cellen. Genom att driva redox-reaktionen åt andra hållet, är det möjligt att på nytt lagra energi i elektrolyten. Frågan om energilagring med hjälp av batterier ska öka i världen hänger också ihop med andra faktorer, menar Månsson, som mängden elbilar, elpriset (till exempel frågan om effekttariffer) och penetration av förnybar energiproduktion såsom vindkraft och solceller på alla nivåer i kraftnätet, från storskaliga anläggningar till småkunders hem.
– Även mängden tjänster som elkunderna vill ha/kan övertalas att ha kommer påverka det. Sedan finns det ju såklart politiska incitament och stöd för batterilagring med till exempel solceller i hemmen, säger Månsson.
Prisutveckling avgörande
Erik Wallnér, vd och grundare av Solcellskollen, tror att för ett ordentligt genomslag i Sverige handlar det om att få ner priserna.
– Sen kan mycket hända av andra skäl. I dagsläget är ett skäl till att det finns så få batterisystem att det är mer lukrativt att sälja överskottsel via elnätet än att lagra den hemma. Här skulle dock lagstiftningen kunna förändras så att så inte längre är fallet. I Tyskland, till exempel, finns hundratusentals batterisystem hos solcellsägare eftersom det är betydligt mer ekonomiskt intressant att lagra elen än att sälja den via elnätet, där man får dåligt betalt. Andra saker såsom förändrade elnätstarrifer – till exempel om elnätbolagen skulle börja ta betalt för högsta effektuttaget – kan även göra batterier mer lönsamt, säger han.
Förutom batterier har vi bra storskalig energilagring genom det som kallas pumpad vattenkraft, vattenkraftverk som lagrar energi i form av uppumpat vatten och producerar elenergi när den behövs, eller genom att virtuellt lagra el i nätet genom att sälja den när vi har överkapacitet och köpa när vi behöver från en annan region en bit bort, förklarar Månsson.
– Det är viktigt att komma ihåg att batterier inte alltid är den bästa lösningen för att lagra energi. Det beror på vilka energi- och effektkrav man ställer på energilagret. Så kallade superkondensatorer har även sina användningsområden där de glänser överlägset, ofta när det gäller applikationer som kräver hög effekttäthet men kanske inte så hög energitäthet, säger Månsson.
2019 invigdes en av världens största anläggning som kombinerar solceller med batterilagring. Anläggningen, som ligger på Hawaii, ska spara 14 miljoner liter diesel om året åt ön Kauai. Solcellerna kan producera 28 MW och de kombineras med ett litiumjonbatteri som kan lagra 100 MWh. Foto: AES Corporation
