Litium-ionbatterier

Hvordan fungerer litiumholdige batterier?

Vi spør professor Ann Mari Svensson ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

- Forskningen har hatt mye fokus på å finne bedre katodematerialer.
- Forskningen har hatt mye fokus på å finne bedre katodematerialer. (Foto: Colorbox)

Vi spør professor Ann Mari Svensson ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

  • Elektrisk

- Hvordan er litiumholdige batterier bygget opp?

- Litiumholdige batterier, eller såkalte litium-ionbatterier, består av en anode, elektrolytt og katode som alle andre batterier. Anoden er laget av grafitt og katoden av et litiumoksid. Ved opplading av batteriet overføres positive litiumioner fra katoden til grafitten og lagres mellom lagene i strukturen av denne. Ved utlading reverseres denne reaksjonen. Grafitt kan lagre dobbelt så mye litium per vekt sammenlignet med litiumoksidet. Det er viktig at elektrolytten har god ionisk ledningsevne og dårlig elektrisk ledningsevne.

- Hvorfor er disse så interessante som oppladbare batterier?

- Litium-ionbatteriene har den høyeste energitettheten av alle oppladbare batterier. Energien et batteri kan levere, er gitt av produktet av cellespenningen og hvor mye lading som lagres i elektrodene. Litium-ionbatterier kan gi en spenning på rundt 3,5–4 V, som er mye høyere enn konvensjonelle batterier som f.eks. blybatterier. Energitettheten er energien per vekt.

- Hva er fordelene med litium-ionbatterier?

Ann Mari Svensson. Foto: NTNU

- På grunn av den høye energitettheten har litium-ionbatteriene per idag ingen konkurrenter for mange viktige anvendelser. De er enerådende til bruk i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, elektriske biler og etterhvert ferger. Det er investert enorme beløp i utvikling av disse batteriene nettopp på grunn av disse anvendelsene og kostnadene for litium-ionbatterier er redusert med ca. 75 prosent siden 2008. Revolusjonen vi har sett innenfor bærbar elektronikk ville ikke vært mulig uten litium-ionbatterier. Teknologien er idag ganske robust og batteripakker for elektriske biler forventes å nå en levetid på ca. ti år, som er en betydelig forbedring sammenlignet med for noen år tilbake.

- Hvilke ulemper har disse batteriene?

- En ulempe er at de fungerer best i et relativt smalt temperaturvindu, dvs. i området 0ºC til 40ºC. Ved for høye temperaturer kan elektrolytten rett og slett dekomponere. Ved lave temperaturer reduseres effekttettheten og i praksis vil derfor kapasiteten til batteriet minke. Det er også utfordringer knyttet til miljøvennlig produksjon av batteriene. Ofte benyttes f.eks. kobolt og nikkel, som har sosiale og miljømessige ulemper forbundet med drift av gruver. Videre benyttes også giftige løsemidler i produksjonen. Det er stadig behov for forbedringer med tanke på kostnader, sikkerhet, miljøvennlig produksjon og resirkulerbarhet.

- Hvilke forbedringer bør forskningen ha størst fokus på fremover?

- Forskningen har hatt mye fokus på å finne bedre katodematerialer, ettersom det er katoden som har lavest kapasitet til lagring av lading, samtidig som en i størst mulig grad forsøker å unngå bruk av elementer som kobolt og nikkel. Denne forskningen fortsetter med stort fokus parallelt med at det forskes på andre løsninger, som f.eks. katoder av svovel, eller såkalte litium-luftbatterier – som kan gi store forbedringer av energitettheten, men som ligger et stykke frem i tid. For anoden forskes det også på å bruke nye materialer, som silisium eller tinn. Videre forskes det på nye kombinasjoner av bindemidler og vandige (dvs. ikke giftige) løsemidler, samt utvikling av nye elektrolytter med et mye bredere temperaturvindu og som kan fungere ved høyere spenninger enn idag – dvs. opp mot 5 V.

Kommentarer (5)

Kommentarer (5)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå