Om batteriet blir virkelighet, kan det gi elbiler som kan tankes med en pumpe når du trenger mye rekkevidde på kort tid. (Bilde: Colourbox/Nissan/montasje)

ELBILBATTERI

Ny membran kan gi elbiler som kan fylles som bensinbiler

Og gi batterier som verken kan ta fyr eller lade seg selv ut.

Mye av fremgangen innen elbilrekkevidde handler om å lage batterier med større energitetthet.

Men hva om du i stedet for å stoppe en halvtime ved en hurtiglader, bare kunne fylle med strøm på batteriet ved hjelp av en vanlig pumpe slik du er vant til med bensinbiler?

En forskergruppe ved Ohio State Universitys College of Engineering pønsker på en slik løsning.

Plastmembran

De har utviklet en «smart» plastmembran til oppladbare batterier, kalt en «ionic redox transistor», som de ser for seg kan gjøre dette mulig.

I tillegg kan den bidra til å hindre selvutlading, batteribranner og gi bedre superkondensatorer.

Det er kanskje en stor bestilling, men dette er områdene forskerne ser for seg at den nye teknologien kan brukes på. En patentsøknad er sendt, og planen er å lisensiere teknologien ut til industrien for videre utvikling, skriver universitetet på sine nettsider.

Kan åpnes og lukkes ved behov

Denne membranen kan bidra til å forbedre batterier på en rekke områder, tror forskerne bak.
Denne membranen kan bidra til å forbedre batterier på en rekke områder, tror forskerne bak. Foto: Pam Frost Gorder/The Ohio State University.

Enkelt forklart fungerer membranen som en cellemembran, ved at porene i den kan åpnes og lukkes ved å strekkes. Dette gjøres ved å sette spenning på membranen.

Når batteriet ikke er i bruk, fjernes spenningen, og membranen sveller opp slik at porene lukkes.

Da kan membranen gjøres til et fysisk skille ved behov. Det åpner for en rekke interessante muligheter.

Kan brukes i påfyll-batterier

– Teknologien som kreves for å lage membranene er skalerbar til produksjon på industriell skala, sier lederen for forskergruppen, universitetslektor og Ph.D. Vishnu Baba Sundaresan til Teknisk Ukeblad.

Den kanskje mest interessante bruken forskerne ser for seg, er et såkalt redokstransistorbatteri basert på teknologien. 

Skjematisk fremstilling av et redoks-flow-batteri (RFB). Hver tank inneholder elektrolytt, som pumpes inn i et kammer. Anolytt og katolytt er adskilt av en membran.
Skjematisk fremstilling av et redoks-flow-batteri (RFB). Hver tank inneholder elektrolytt, som pumpes inn i et kammer. Anolytt og katolytt er adskilt av en membran. Foto: Nick B, benboy00/Wikimedia CC-SA 3.0

Dette er en variant av et redoks-flow-batteri (RFB), hvor energien lagres i elektrolytten. 

Som navnet antyder, er et RFB basert å reduksjon og oksidasjon i en flytende elektrolytt som pumpes gjennom systemet under utlading og opplading.

I et slikt system er anode og katode væsker, kalt anolytt og katolytt. Når batteriet lader ut, avgis elektroner, som vandrer i en ytre krets og kan utføre arbeid, akkurat som i et vanlig batteri.

Elektrolyttene pumpes inn i et kammer, hvor de er adskilt av en membran.

Parasittlast

Ulempen med et slikt system, er at anolytt og katolytt må pumpes. Pumpene er en parasittlast på systemet, ettersom de vil forbruke noe energi for å holde systemet i gang.

– Den fundamentale begrensningen med RFB-er er at elektrolytt og ioner vil krysse over når systemet ikke er i bruk. Så elektrolytt pumpes inn i kammeret når det skal produsere energi, og pumpen blir en parasittlast. I tillegg holdes kammeret som inneholder anolytt og katolytt på et minimumsnivå for å hindre selvutlading. Dette kompliserer designen til RFB-er betraktelig, sier Sundaresan.

Han viser til andre nylig utviklede RFB-er, hvor det er brukt elektrolytt i form av viskøs slurry, som øker energitettheten. Ulempen er at dette krever mer energi for å sirkuleres.

Dermed er ikke RFB-er i utganspunktet egnet til elbiler, og har begrensinger til bruk i energilagringssystemer for strømnettet, forteller Sundaresan. 

Fjerner behovet for pumper

Biler som Tesla Model S kan lades raskt, men sammenlignet med bensinpumpen går det fortsatt tregt.
Biler som Tesla Model S kan lades raskt, men sammenlignet med bensinpumpen går det fortsatt tregt. Foto: Tesla

Her kommer den smarte membranen inn i bildet. Siden den kan lukkes, vil behovet for pumping av elektrolytt kunne reduseres betraktelig, eller fjernes fullstendig.

Kammeret kan være fylt med elektrolytt, uten at det foregår noe selvutlading. Ionetransport gjennom membranen kan kontrolleres med selve membranen. 

Et slikt batteri har fått navnet redokstransistorbatteri. Sundaresan forteller at de estimerer at et slikt batteri enkelt vil ha energitetthet og spesifikk energi som gjør at det egner seg til transport.

– Etter at redokstransistorbatteriet er utladet, er det mulig å erstatte elektrolytten ved å tømme innholdet og fylle det opp med regenerert elektroytt, noe som vil føre lading av elbiler nærmere til det vi i vårt samfunn er vant til med kjøretøy drevet med fossilt drivstoff, sier Sundaresan.

Han tror dette blir nødvendig for en stor utbredelse av elbiler. Men han peker på at et slikt batteri fremdeles vil kunne lades på vanlig måte, og man vil fortsatt kunne lagre bremseenergi med det.

Dermed vil eksisterende ladeinfrastruktur fortsatt kunne brukes.

Løser hurtiglading

En slik løsning vil gjøre det langt enklere å tilby hurtig lading av elbiler, tror han.

Hans forskergruppe har kommet frem til at de fleste elbiler i dag lader med en hastighet på rundt 0,6 kilometer i minuttet. 

Unntaket er selvsagt hurtigladere, men de færreste har en hurtiglader i garasjen sin hjemme. Og selv hurtigladere er ikke spesielt hurtige sammenlignet med en bensinpumpe.

Det nærmeste man kommer elbiler som kan pumpes i dag er seriehybrider som Opel Ampera. Hydrogenbiler er også elbiler, som kan pumpes, men dette krever ny infrastruktur.
Det nærmeste man kommer elbiler som kan pumpes i dag er seriehybrider som Opel Ampera. Hydrogenbiler er også elbiler, som kan pumpes, men dette krever ny infrastruktur. Foto: Opel

Bensinpumpen kan gi deg rundt 500 kilometer rekkevidde i løpet av noen få minutter. Til sammenligning får du i beste fall 270 kilometer rekkevidde på Teslas Supercharger-stasjoner om du lader i en halvtime. 

– Vi har allerede et distribusjonssystem for flytende drivstoff, som forhåpentligvis kan bygges om til å håndtere elektrolytt, sier Sundaresan.

Han forteller at den underliggende motivasjonen for forskningen er at han ikke har tror på at lading av elbiler ikke er skalerbart i tettbefolkede områder i USA, og i utviklingsland. Om fremtidens fly også skal ha elektrisk fremdrift, tror han at infrastrukturen ikke vil fungere.

– Min motivasjon er å utvikle et alternativ til litiumionebatterier med overgangsmetalloksider, og ikke å begynne å bygge en global infrastruktur for denne kompliserte teknologien. Litiumionebatterier er bra i portable, personlige enheter, og jeg har en sterk tro på at det ikke er riktig valg for transport, sier han.

Sundaresan forteller at forskergruppen hans for tiden jobber med å lage prototyper av redokstransistorbatterier, og at de søker forsknings- og utviklingsmidler for den videre utviklingen av teknologien.

Kan forbedre litiumionebatterier

Membranen kan også brukes til å lage litiumionebatterier som ikke har selvutlading. 

Et litiumionebatteri har en membran som skiller anode- og katodematerialene og elektrolytt, samtidig som den slipper gjennom ioner.

Selv når batteriet ikke er i bruk, vil membranen slippe gjennom noen ioner, og batteriet vil over tid lade seg ut.

Laboratorieforsøk viser at den nye membranen hindrer slik selvutlading.

Selvutlading er dog ikke noe stort problem for den som bruker elbilen sin hver dag, men parkert over tid kan dette være en utfordring. 

Superkondensator

Et annen interessant bruksområde forskerne ser for seg er å bruke membranen i superkondensatorer. Disse fungerer omtrent som batterier, men kan lades opp mye raskere. Utfordringen er at de har høy selvutlading.

Ved å ta i bruk membranen her, kan ladningen holdes over lange perioder. 

En annen fordel med denne membranen skal være at den kan stanse tilløp til såkalt thermal runaway i litiumionebatterier, ved at membranen stenges dersom temperaturen begynner å øke.

Kort sagt er en thermal runaway en ukontrollert temperaturstigning i en celle, som forplanter seg til resten av cellene.

Påfyll versus hurtiglading

Spørsmålet er åpenbart om det å bytte ut elektrolytt i batterier er et levedyktig alternativ til hurtiglading av eksisterende litiumionebatterier.

For om kraftige ladere kan gi samme rekkevidde på tilsvarende tid, vil det neppe være særlig aktuelt. 

Et slikt system vil til syvende og sist møte samme utfordring som hydrogenbrenselceller: Helt ny infrastruktur må på plass dersom eksisterende pumpeinfrastruktur ikke egner seg, eller må bygges vesentlig om.

Elektrolytten som pumpes ut av batteriet må også håndteres på et vis, så en endring av infrastruktur vil i alle tilfeller være nødvendig.

En artikkel om membranen er publisert i siste utgave av journalen Energy & Enviromental Science.

  • Les flere saker om elbil
Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.

Kommentarer (15)

Kommentarer (15)