Ny metod ger hopp om billigare batterier

2018-09-17 06:00  

Kan ett blått pigment utgöra grunden för framtidens storskaliga lagring av sol- och vindenergi? Det hoppas forskare från Uppsala, som har tagit fram ett billigare sätt att tillverka natriumjonbatterier.

Pigmentet berlinerblått, ett järnferrocyanid-salt, har varit känt sedan början av 1700-talet. Över åren har det även kallats preussiskt blått, pariserblått och järnblått.

Genom att blanda pigmentet med natrium bildas en variant som brukar kallas preussisk vit. En grupp Uppsalaforskare hoppas att ämnet ska bilda framtidens positiva elektroder i natriumjonbatterier.

Forskarna har upptäckt en ny metod för att framställa preussisk vit och bildat bolaget Altris för att få ut det på marknaden.

– Med den nya metoden kan vi göra stora batcher väldigt billigt. Tidigare behövdes höga tryck och temperaturer, medan vi kan framställa materialet med måttliga temperaturer och atmosfärtryck, berättar Tim Nordh, vd i Altris.

”Järnanvändningen inte större än ett avrundningsfel för stålindustrin”

Både berlinerblått och preussisk vit har tidigare testats som batterimaterial men aldrig fått något större genombrott.

– Preussisk blå har vanligtvis många defekter i sig, så det levererar inte tillräckligt för att fungera i ett batteri. Nätverket i molekylen blir brutet på så många ställen att strukturen kollapsar, säger Tim Nordh.

Läs mer: Unik anläggning är länken till industrin

Men med den nya metoden byggs ferrocyanidens nätverk upp försiktigt så att molekylen kan binda mer natrium. Resultatet är ett vitaktigt pulver.

Preussisk vit består av kol, järn, kväve och natrium. En stor fördel är att dessa ämnen är vanligt förekommande i naturen.

– De ingående råvarorna finns över hela världen. Oavsett hur många batterier vi vill göra blir inte järnanvändningen större än ett avrundningsfel för stålindustrin, säger Tim Nordh.

Längre livslängd ska vara en fördel

Utvecklingsarbetet inom Altris sker med fokus på storskaliga, stationära natriumjonbatterier, som till exempel kan lagra energi från sol- eller vindkraft.

Någon storskalig produktion av natriumjonbatterier finns ännu inte på marknaden. Men Uppsalaforskarna menar att batterier med deras material skulle ha flera fördelar gentemot dagens litiumjonbatterier.

– För stationära batterier blir pris per kilowattimme den viktigaste aspekten, och där ska vi vara bättre. En annan fördel är att vårt material klarar att snabbladda bättre och inte tar skada av att vara urladdat. Batterierna får inga skenande effekter som kan leda till brand. Men litiumjon har högst energidensitet, säger Tim Nordh.

Framför allt räknar forskarna med att natriumjonbatteriets längre livslängd, på omkring 20 år, ska vara en fördel jämfört med litiumjonbatterier. Det är också anledningen till att gruppen siktar på storskalig energilagring. Batterier som ska laddas med energi från avlägsna vindkraftparker måste hålla länge utan att behöva bytas ut var femte år.

Första steget är komplicerat och känsligt

Hittills har forskarna testat materialet i battericeller i liten skala i Ångströmlaboratoriet. Nu pågår tester hos Uppsalaföretaget Lifesize i större skala.

– Vi vet att materialet fungerar för tunna beläggningar. Nu måste vi se om vi kan återskapa samma egenskaper för tjockare beläggningar, säger Tim Nordh.

Elektroderna i natrium- och litiumjonbatterier bildas genom att en våt blandning med det aktiva materialet stryks på en aluminiumfolie som sedan delas upp i mindre bitar. I forskarvärlden görs tester med mycket tunna beläggningar av aktivt material, 1 mg/cm2. Men för att industrin ska vara intresserad av att gå vidare behöver man visa att materialet fungerar även med tjockare beläggningar, runt 10 mg/cm2. Det är vad forskarna i Altris nu ägnar sig åt hos Lifesize.

Läs mer: Northvolt har levererat sitt första batteripaket

Och uppskalningen är inte så lätt som man kan tro. Det första steget, att blanda samman de aktiva materialen i den så kallade slurryn, är komplicerat och känsligt. Det gäller att få rätt viskositet och porositet.

”Ganska nära att börja jaga investerare”

Uppskalningen av slurryn fungerar inte heller linjärt. När mer av blandningen ska tillverkas går det inte att bara öka alla ingredienser lika mycket.

– Varje gång vi skalar upp måste vi optimera blandningen. På universitetet hade vi cyklade batterier, sex månader senare är vi fortfarande kvar på det första steget, berättar Tim Nordh.

Testerna hos Lifesize har visat en del problem med elektrolyten. De är nu lösta.

– Nu är vi jättehoppfulla. Nästa gång tror vi att det kommer att fungera. Då är vi ganska nära att börja jaga investerare, säger Tim Nordh.

Men även om testerna hos Lifesize blir lyckosamma har Altris ännu två steg kvar i uppskalningsprocessen. Tillverkningen måste kunna gå fortare, med mer automatisering, och mätningar måste göras av hur cellerna beter sig i seriekopplade packer innan massproduktion kan dra igång.

”Dö sedan och veta att man gjorde något bra”

På Ångströmlaboratoriet har forskarna laddat upp och ur batterierna i ett hundratal cykler med knappt någon kapacitetsförlust. För att kunna konkurrera med dagens litiumjonbatterier räknar de med att behöva visa att batterierna kan klara 2 000 cykler med samma resultat. Då kan batterierna fungera för storskalig lagring i elnätet utan att de behöver bytas ut ofta.

Läs mer: Vätska i flödesbatteri kan tanka framtidens elbil

Natriumjonbatterier ses av många som ett miljövänligare alternativ än litiumjonbatterier. Dessutom dras inte natriumjontekniken med de etiska problem som koboltanvändningen innebär, eftersom utvinningen av kobolt ofta bedrivs under vidriga förhållanden.

– Kan man bara få natriumjonbatterierna att leverera elektrokemiskt, och visa att de kan leva minst lika länge eller längre än litiumjon, känns det som en bra lösning. Då kan man dö sedan och veta att man gjorde något bra, säger Tim Nordh.

Söker patent för den nya metoden

Den nya metoden för att tillverka preussisk vit utvecklades av Reza Younesi, William Brant och Ronnie Mogensen, som tillsammans har grundat företaget Altris.

Företaget har lämnat in flera patentansökningar på metoden.

Testerna på Lifesize görs med hjälp av medel från Vinnova.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt