En gruppe forskere fra Storbritannia, Kina og Israel har laget et litium-luftbatteri som skal kunne løse flere av problemene disse batteriene har slitt med.

Like mye energi som i bensin

Hvis disse batteriene blir klare for markedet, kan de gi elbiler en skikkelig dytt framover. Litium-luftbatterier vil bli mye lettere enn de litium-ionebatteriene som sitter i dagens elbiler.

• Les også: Batteri for landeveien

Dermed kan de konkurrere i rekkevidde med bensin- og dieselbiler, målt ut fra energimengde og vekt på batteriet.

– Dette kan være ett av de gjennombrudd som litium-luftbatterier venter på, skriver Poul Norby i en e-post til forskning.no.

Norby er seniorforsker på Institut for Energikonvertering og lagring på Danmarks Tekniske Universitet. Sammen med kolleger har han forsket på denne batteritypen.

– Alt i alt kan dette godt være en av de meget viktige artikler som betyr et nytt intensivt fokus på litium-luft-batteriteknologien, skriver han om studien i tidsskriftet Science.

Norby tar likevel forbehold om flere studier må til for å forklare alle reaksjonsmekanismene, og for å studere blant annet hvordan batteriet oppfører seg over lang tid.

Bruker oksygen fra lufta

Hvorfor er litium-luftbatterier så lette? Årsaken ligger i lufta – bokstavelig talt. Det er oksygen fra lufta som brukes til de kjemiske reaksjonene i den ene – positivt ladede – elektroden.

Dermed slipper batteriet å dra med seg for eksempel metalloksid, slik som i et litium-ionebatteri.

Til gjengjeld blir litium-ionebatteriet tyngre og tyngre etterhvert som oksygenet bindes i reaksjonene og samler seg i batteriet under bruk.

Store porer

Men selv om litium-luftbatteriene er forholdsvis lette, har tunge tekniske problemer stått i kø. Forskerteamet kan nå ha løst noen av de viktigste.

Ett problem har vært at reaksjonen må foregå over store flater. Først da blir det mange nok litiumatomer og oksygenatomer som reagerer. Først da gir batteriene nok elektrisk strøm.

Det finnes en måte for å lage mye overflate på liten plass: Du kan lage et porøst stoff. Der kan oksygenet fra lufta sirkulere og reagere i alle krinkelkroker av porene.

Porene i de nye batteriene er også ekstra store. Dermed blir det også god plass i pluss-elektroden. Den klarer å ta imot krystallene som dannes når litium reagerer med oksygen.

• Les også: Batteriet bremser elbilen

Annen kjemisk reaksjon

Et annet problem er produktene fra de kjemiske reaksjonene under utlading. De kan stoppe igjen porene. Siden de ikke leder elektrisk strøm, kan de stanse reaksjonene og strømflyten. Det samme kan uønskede biprodukter.

Forskerne har løst dette problemet ved å bruke en annen type reaksjon og tilføye et stoff som fungerer litt som en katalysator. Sluttproduktet er ikke en binding av litium og oksygen, som i andre slike batterier.

Isteden er sluttproduktet en binding av litium, hydrogen og oksygen – litiumhydroksid. Artikkelen i Science beskriver hvordan dette stoffet vokser nærmest som kronblader – tynne, porøse flak – ut fra porene i elektroden.

– Her dannes ikke sluttproduktet bare som et belegg. Det transporteres vekk fra elektroden, som et oppløst stoff, skriver Norby.

Dermed tettes ikke reaksjonsflaten igjen, og reaksjonene kan fortsette lenger. Kapasiteten øker. Når batteriet lades, går reaksjonen i revers. Litium frigjøres igjen, klar til ny bruk.

– Dannelsen og dekomponeringen av litiumhydroksid som et reaksjonsprodukt i en reversibel reaksjon uten mye energitap er spennende, kommenterer Norby.

Mindre energitap ved oppladning

Et tredje problem har vært oppladingen. Du måtte sende mye høyere spenning, og dermed mer energi inn i litium-luftbatteriet enn du fikk ut. Det førte til et stort energitap.

Hvorfor måtte høyere spenning til? Det vet faktisk ikke forskerne helt sikkert. Norby og kollegene hans har gjort beregninger som viser at det ikke er noen teoretisk grunn til at det trengs så høy spenning.

Sikkert er det likevel at det nye sluttstoffet litiumhydroksid reagerer mye raskere når det er oppløst, særlig når forskerne bruker noen spesielle tilsetningsstoffer.

Energitapet ved opplading er nesten helt borte, ifølge artikkelen i tidsskriftet Science.

• Les også: Det blir strøm nok til elbiler og elbusser

Tåler vann

Et fjerde problem har vært at batteriet ikke tåler vanndamp i lufta. Litium reagerer lett med vann. Dermed blir noe av litiumet borte. Reaksjonen lager også hydrogengass, som kan også skade elektroden. Det er også flere uønskede virkninger av denne reaksjonen.

Det nye litium-luftbatteriet tåler derimot vanndamp. Reaksjonene blir ikke påvirket, viste forsøk forskerne har gjort.

I artikkelen i Science beskriver forskerne alle endringene som et samspill. Dette samspillet forbedrer både kapasiteten til batteriet og oppladingen.

Referanse:

Tao Liu m.fl.: Cycling Li-O2 batteries via LiOH formation and decomposition, Science, 30. oktober 2015, vol. 350, issue 6260, doi:10.1126/science.aac7730, sammendrag.