Nytt superbatteri laddas med svavel och socker

Ersätter en 30 år gammal succé

När den nya batteritypen kommer ut på marknaden blir den en efterlängtad efterträdare till de litiumjonbatterier som har tjänat oss väl sedan början av 1990-talet.

I grunden fungerar de två batterierna likadant. De innehåller två elektroder som skiljs åt av en så kallad elektrolyt, det vill säga en vätska genom vilken joner, men inte elektroner, kan ledas. Joner är atomer som har gett ifrån sig en elektron. När vi laddar batteriet vandrar de positivt laddade jonerna från litiumelektroden till den andra elektroden, som vanligen består av grafit, det vill säga kol. Där lagras jonerna i hålrum mellan kolatomerna.

När vi använder batteriet och det laddas ur sker motsatsen. Återigen är det endast jonerna som rör sig genom vätskan i batteriet. Via kablar kopplade till elektroderna kan de fria elektronerna röra sig ut ur batteriet och genom det kretslopp till vilket batteriet ska ge ström, exempelvis en elbilsmotor.

Ju fler joner batteriet kan ansamla i den andra elektroden, desto större blir den så kallade energitätheten, ett mått på batteriets lagringskapacitet.

Energitätheten i en svavelelektrod är ända upp till fem gånger större än i de grafitelektroder som används i traditionella litiumjonbatterier. Därför har forskare i årtionden försökt utveckla ett fungerande litiumsvavelbatteri.

Problemet har varit batteriets hållbarhet. I litiumsvavelbatteriet får de upprepade laddningarna svavlet att svälla och krympa, så att elektroden efter en tid börjar spricka. Därför har forskarna inte kunnat få ut mer än omkring 50 laddningar ur denna typ av batterier. Dessutom har litiumsvavelbatterierna belastats av en annan inbyggd brist som begränsar hållbarheten.

Efter hand som litiumjonerna vandrar mellan elektroderna bildar vissa av dem kemiska föreningar med svavlet, så att det uppstår så kallade polysulfider.

Det innebär att jonerna för med sig en del av svavlet tillbaka till litiumelektroden, där man inte vill ha det. Där sätter det sig på elektrodens yta i form av en beläggning, som med tiden bryter ner litiumelektroden och försämrar batteriets prestanda och livslängd.

Socker löser problemen

Båda dessa problem tycks nu slutligen ha lösts med de australiska forskarnas enkla metod: att tillföra svavelelektroden ett bindemedel av glukos, det vill säga socker.

Sockret får svavlet att bilda en ny struktur, som både gör det mindre skört och skapar mer utrymme för litiumjonerna att binda till elektroden. Samtidigt visar forskarnas experiment att sockret hämmar bildningen av polysulfider, så att det blir färre beläggningar på litiumelektroden.

Sammantaget gör dessa två effekter att forskarnas prototyp klarar omkring 1 000 laddningar, vilket för upp batteriet i samma liga som traditionella litiumjonbatterier.

De australiska forskarna hämtade sockertricket från en forskningsartikel från år 1988. Yingyi Huang, en av universitetets doktorander, råkade snubbla över artikeln, där det beskrivs att socker kan användas för att binda svavelföreningar i jord. Hon föreslog för professor Mainak Majumder att man skulle testa det i svavelelektroden.

Genom att låta sig inspireras av tre årtionden gammal forskning inom ett helt annat område kom forskarna fram till det recept som kan bana väg för litiumsvavelbatteriernas genombrott.

Den nya batteritypens energitäthet kommer framför allt att göra stor skillnad för elbilar. Biltillverkarna kämpar med att få elbilarna att köra långt på en laddning utan att batterierna tar för mycket plats och blir för tunga.

Den totala vikten av en elbils batteripaket varierar, men ett batteri på 80 kilowattimmar i en elbil med en lång räckvidd på uppemot 50 mil väger cirka 500 kilo och utgör därmed omkring 25 procent av bilens vikt.

I dag kan litiumjonbatterier nå en energitäthet på upp till 250 wattimmar per kilo batteri. Litiumsvavelbatterierna kan fördubbla eller tredubbla det till 500 eller 750 wattimmar per kilo och därmed också fördubbla eller tredubbla elbilens räckvidd, så att den kommer ända upp till omkring 150 mil.

Det innebär att elbilen för första gången kan konkurrera med vätedrivna bilar, det andra gröna alternativet till bensinbilen.

Kanske kan det med tiden bli ännu bättre. Teoretiskt sett kan den nya batteritypen femdubbla räckvidden ända upp till 250 mil.

Det nya batteriet skonar miljön

Litiumsvavelbatteriet kommer inte bara att matcha våra nuvarande batterier när det gäller hållbarhet och energitäthet. Det kommer också att minska den klimat- och miljöbelastning som batteriproduktionen i dag dras med.

Traditionella litiumjonbatterier innehåller flera sällsynta grundämnen, bland annat kobolt, som stabiliserar litiumelektroden och förbättrar dess förmåga att lämna ifrån sig och ta emot joner. I de nya svavelbaserade batterierna behövs inte någon kobolt, vilket är en stor fördel.

Vid utvinning av kobolt i dagbrott krävs stora grävmaskiner och lastbilar, vilket gör att gruvdriften utsätter den lokala miljön för enorma påfrestningar och medför stora utsläpp av koldioxid.

Dessutom är kobolt en sällsynt metall som riskerar att ta slut. Den internationella energiorganisationen IEA beräknar att utvinningen av kobolt redan år 2030 kommer att understiga efterfrågan. I dag utvinns två tredjedelar av all kobolt i Kongo (Kinshasa), där människorättsorganisationer rapporterar om farliga arbetsvillkor och barnarbetare vid gruvdrift.

Av alla dessa skäl är det en stor fördel om det nya litiumsvavelbatteriet kan eliminera behovet av kobolt. Svavel har vi nämligen gott om. Det är dels planetens tionde vanligaste grundämne, dels en vanlig avfallsprodukt inom industrin.

Ytterligare ett problem med litiumjonbatterier är säkerheten. Batterierna kan nämligen antändas spontant vid kortslutningar i batteriet, som exempelvis kan bero på fysiska skador på batteripaketet. Brandrisken förvärras av att det i föreningen mellan litium och kobolt i den ena elektroden även ingår syre.

Litiumsvavelbatteriernas elektroder innehåller inte något syre, så forskarna bedömer att de är mindre brandfarliga än sina föregångare.

Batterifabrik klar om fem år

För forskarna vid Monash University återstår fortfarande några problem att lösa innan litiumsvavelprototypen kan ta språnget från laboratoriet till storskalig produktion. Problemet med beläggningarna på litiumelektroden har ännu inte löst på ett tillfredsställande vis, men forskarna är trygga med att det ska ordna sig. Det är även deras privata samarbetspartner, företaget Enserv Australia.

”Vi planerar att framställa de första litiumsvavelbatterierna i Australien inom cirka fem år”, hävdar företagets vd Mark Gustowski.

Mycket talar alltså för att det blir litiumsvavelbatteriet som först utmanar dagens litiumjonbatterier.

Även andra batterityper är dock under utveckling. Gemensamt för dessa är att de använder nya grundämnen, vilket är någonting som både medför styrkor och svagheter.

Ett av de koncept forskarna arbetar med är litiumluftbatteriet. Där fungerar syre från luften som den ena elektroden. Litiumluftbatterierna kan i teorin få tio gånger större energitäthet än ett litiumjonbatteri och därmed dubbelt så stor täthet som litiumsvavelbatteriet.

Problemet är att forskarna har svårt att få dessa batterier att tåla ett stort antal laddningar.

Ett annat alternativ är så kallade solid state-batterier, som i stället för en vätskeelektrolyt har en elektrolyt i fast form. Hittills har denna batterityp använts i mindre apparater, till exempel pulsmätare och pacemakrar, där faktorer som energitäthet och brandsäkerhet är avgörande.

I dessa fall är det mindre väsentligt att materialkostnaderna är höga, vilket är solid state-batteriernas svaghet.

Prismässigt har en tredje batterityp stor potential: natriumjonbatteriet, där litiumet ersätts av natrium. Medan litium är en begränsad resurs har vi natrium i överflöd, eftersom det kan utvinnas ur vanligt havssalt. Tyvärr är dock energitätheten i natriumjonbatterier inte särskilt hög.

Litium kommer därför även fortsättningsvis att spela huvudrollen i de flesta av våra batterier. Men det är viktigt att vi blir bättre på att återvinna metallen, så att den inte tar slut. Om vi lyckas med det kan det nya litiumsvavelbatteriet bli en tillförlitlig mobil strömkälla i många årtionden framöver.