Verden trenger flere, raskere og billigere batterier. Litium er et av grunnstoffene som er viktige for verdens batteriproduksjon, men det er en begrenset ressurs. Derfor søker batteriforskere etter andre typer batterier. Helst uten giftige og farlige stoffer.
Amalie Skurtveit skulle ta doktorgrad i natrium-batterier ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Det er en batteritype hvor grunnstoffet natrium er energibæreren i stedet for litium.
– Neste generasjon av batterier likner på tradisjonelle litiumbatterier i oppbygning, men de inneholder natrium i stedet, forklarer Skurtveit. Denne batteritypen er litt større, og litt tyngre, fordi natriumionene er større og tyngre enn litiumionene. Det gjør at de ikke er så godt egnet i smarttelefoner, men de kan for eksempel være en god løsning som energilagring for solcellepaneler eller vindkraftanlegg.
Raskere lading
– Dette var egentlig et sideprosjekt. Grunnen til at vi gjorde eksperimentet, var at natrium tilsynelatende kan lade raskere enn litium i enkelte materialer. Vi skulle bare sjekke en kandidat for et slikt materiale, forklarer hun.
Ved å sende en røntgenstråle gjennom et batteri av under opplading og utladning, sjekket hun om dette var et materiale som var verdt å jobbe videre med. Da så hun noe annet:
– Jeg så at det var noe rart i prøvene. Det kunne ikke være snakk om det materialet vi trodde det var, og da ble jeg nysgjerrig på hva det kunne være, forklarer hun.
Hun klarte ikke å legge fra seg tanken på det uforklarte materialet. Til slutt fikk hun overbevist veilederen om at det var verdt å gjøre et forsøk på å forklare resultatene.
– Jeg tok kontakt med noen som jobber med modellering, sier Skurtveit. – Vi prøvde å lage en teoretisk modell som kunne forklare det vi så i prøven.
– Vi fant noe som matchet ganske bra, men det var først da vi snakket med Helmer Fjellvåg, en ekspert på uorganisk materiale, at vi klarte å finne svaret, fortsetter hun. – Det materialet vi har laget, finnes ikke fra før noe sted. Det er et syntetisk materiale, en fase, som bare oppstår når materialet lades opp. Derfor finnes det ikke naturlig.
30 ganger raskere
Skurtveit var fornøyd med å ha løst gåten. Materialet de har funnet kalles natrium-antimonideselenide. For å være sikker testet hun materialet på batterilaboratoriet også. Det var da hun skjønte at hun hadde funnet noe viktig:
– Da så jeg at vi har et batteri som kan lades opp på bare tolv minutter, utbryter hun.
Til sammenlikning lades de andre batteriene til Skurtveit på batterilab'en på seks timer. Det betyr at det nye materialet kan lades 30 ganger raskere.
– Dette er nær det gylne standarden i batteriteknologi: Det skal ta like kort tid å fullade bilen som det skal ta å fylle tanken, forklarer hun.
Skurtveit forteller at kommersielle selskaper lanserer nye natrium-batterier i disse dager.
– Vårt batteri har en energitetthet på 200-300 Wattimer per kilogram. Det ligger på omtrent det samme som dagens litiumbatterier. Et av de nyeste kommersielle natriumbatteriene har en energitetthet på 175 Watt-timer per kilogram.
Dermed har hennes natriumbatteri nesten dobbelt så høy energitetthet som kommersielle natriumbatterier.
Pakking er avgjørende
Skurtveit forklarer at det er måten atomene i materialet er stablet på, som er avgjørende. På fagspråket er det snakk om ulike faser. Det betyr at det er de samme atomene. De er bare stokket om. Omstokkingen kan gi materialet nye egenskaper, akkurat som i et kortspill: Noen kan få en god hånd i ett spill. Kortene stokkes og selv om spillerne fremdeles spiller poker er det likevel ikke det samme spillet.
– Denne fasen, eller dette materialet, kan bare eksistere når det lades opp, forklarer Skurtveit.
Da pakkes atomene på en bestemt måte som gjør at natriumatomene pakkes mye tettere sammen enn i andre materialer som brukes i dagens natriumbatterier. Det gjør at energitettheten er så høy.
– Det er natrium som er energibæreren i dette materialet, mens antimon er arbeidshesten som lades opp og ut. Selenidet er nøkkelen til å holde det stabilt, sier Skurtveit.
Når materialet lades ut, forsvinner natriumionene ut av anoden som er den negative siden av batteriet.
– Når batteriet lades ut, kollapser det materialet vi har funnet. Det gjør heldigvis ikke noe, for når batteriet lades opp igjen, dannes strukturen opp på nytt. Det er som is som blir til vann og fryser til is igjen, forklarer hun.
Mer forskning trengs
Skurtveit er svært fornøyd med resultatene, men understreker at materialet ikke er klart for kommersiell virksomhet riktig ennå:
– Dette materialet inneholder grunnstoffet antimon, som dessverre er giftig. Derfor skal vi prøve å se om vi kan klare å gjenskape den samme strukturen med andre grunnstoffer som byggesteiner, sier hun.
– Verden kommer nok ikke til å kutte ut litiumbatterier, men håpet er at vi kan lage nye typer batterier som kan dempe etterspørselen etter litium.
Artikkelen ble først publisert på Titan.uio.no
Gullkuppelen militariserer rommet – kan forrykke atomvåpenbalansen
