print logo

Menneskeceller - modell for fremtidens bilbatterier

Kjemikere etteraper energiforsyningen i menneskekroppen for å designe fremtidens batterier i elektriske biler. Med den nye batteriteknologien kan biler kjøre nonstop fra Oslo til Trondheim.

NANOBATTERIER: Ved å bruke nanoteknologi i bilbatterier, kan elektriske biler om 20 år kjøre ladefritt fra Oslo til Trondheim. Foto: Francesco Saggio.

Kjemikere ved Universitetet i Oslo forsker på hvordan man kan lage bedre, lettere og mer effektive og miljøvennlige batterier ved å ta i bruk nye funksjonelle materialer og supertynne nanomaterialer. Arbeidet deres kan revolusjonere fremtidens bilbruk.

Professor Helmer Fjellvåg ved Kjemisk institutt koordinerer batteriforskningen i et stort EU-prosjekt, kalt MAHEATT, sammen med fem universiteter og tre europeiske industriforetak.

Dagens batterier i elektriske biler er svært tunge og har begrenset kapasitet. De tar lang tid å lade opp og fungerer trått når vinterkulden setter inn.

I dag går mange elektriske biler på blybatterier. Teknologien er enkel og velprøvd. Batteriene krever lite vedlikehold og gir mye strøm på kort tid. Men batteriene er lite miljøvennlige.

Blybatteriet i Buddybilen veier 380 kilo. Det holder ikke langt. Rekkevidden er bare 80 kilometer.

– Bilen bruker store deler av energien sin til å frakte batteriet. For å kjøre direkte fra Oslo til Trondheim trenger man sju batterier. Bilen har ikke kapasitet til å ta med alle batteriene. Det er et stort problem, påpeker førsteamanuensis Ola Nilsen på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Nano i litiumbatterier

Den nye generasjonen bilbatterier har nå sett dagens lys. De kalles litiumbatterier. De er mye lettere enn blybatterier, tar mindre plass og har dessuten større energitetthet. Ulempen er prisen. De koster mange ganger mer.

Selv om litiumbatteriene er mye bedre enn blybatterier, veier de fortsatt altfor mye. Buddy har noen testbiler med litiumbatteri. Batteriet på 270 kilo holder til 210 kilometer.

ENERGIMOTOREN: Nanoforskerne etteraper strukturene i mitokondrier, som er energimotoren i celler, for å lage best mulig nanobatterier. Skissen viser hvordan mitokondrien ser ut. Foto av Mitokondrien: Gro Møkkelgjerd, St Olav Hospital. Illustrasjonen: Johanne Egge Rinholm, UiO

– Det er veldig mye energi i litiumbatterier, men de har dessverre forårsaket noen branner. Så teknologien har ikke kommet langt nok til at vi tør selge biler med slike batterier, sier Trond Tveitan , leder for testavdelingen i Buddyfabrikken i Oslo.

Kjemikere ved Universitetet i Oslo forsker på hvordan litiumbatteriene kan forbedres ved å kombinere nye materialer med nanoteknologi.

Det er svært krevende å utvikle slike batterier. I batteriforskning fins dessverre ingen paralleller til elektronikkindustrien, som stadig klarer å lage mindre og mindre komponenter med de samme egenskapene.

– Slik er det ikke med batterier. Materialer og volum er viktig i batterier. Det betyr at man er nødt til å endre på selve materialene for å lage bedre batterier, forteller Ola Nilsen.

Batteriets begrensninger

Selv om Ola Nilsen jakter på nye batterimaterialer, blir grunnprinsippene i nanobatteriene de samme som i dagens batterier.

Alle batterier er bygd opp av de tre delene anode, elektrolytt og katode.

Strømmen skapes når elektroner forflytter seg fra anoden til katoden. Samtidig vil det gå en strøm av ioner, det vil si ladete, positive atomer, direkte fra anoden til katoden via elektrolytten.

Hele poenget med elektrolytten er å skille anoden fra katoden. Uten elektrolytten ville alle elektronene ha frest direkte fra anoden til katoden uten å gå omveien om motoren. Det betyr at elektrolytten må lages i et materiale som er dårlig til å lede strøm, men god til å lede ioner.

Et optimalt batteri skal både ha høy spenning, det vil si høy effekt på kort tid, og langvarig effekt, slik at man kan kjøre fra Oslo til Trondheim uten å måtte lade opp batteriet underveis.

Forskerne er også interessert i langt bedre energiutnyttelse enn det som er mulig i dag.

TYNNFILMBATTERIER: Førsteamanuensis Ola Nilsen utvikler fremtidens bilbatterier som skal bestå av supertynne lag med tynnfilm. Her speiler han seg i en tynnfilm. Foto: Yngve Vogt

Vanskelig kombinasjonskunst

De ulike ønskene for fremtidens batterier er svært vanskelige å kombinere.

Et av problemene er at materialene i batteriene ikke alltid passer sammen. Under uheldige omstendigheter kan både katoden og anoden reagere med elektrolytten. I grenseflatene mellom materialene er det store forskjeller på nivåene til elektronene. Elektronene kan da lett hoppe over til det andre materialet.

En annen stor begrensning er hvor mye spenning batteriet tåler. Hvis man kunne øke spenningsforskjellen mellom katoden og anoden, noe som hadde vært veldig smart for å øke energinivået i batteriet, kunne man risikere at materialene i elektrolytten går i stykker. Det er svært uheldig. I beste fall slutter batteriet å fungere. I verste fall kan det eksplodere.

– Vi er derfor på jakt etter materialer som tåler et større spenningsfelt. Materialene må også tåle at batteriet lades opp og ned uten at materialet kollapser. I både opp- og nedladning er det store belastninger i materialet. Vi må dessuten passe på kortslutning og eksplosjonsfare, forteller Ola Nilsen.

Det stilles derfor svært store tekniske krav til alle de tre delene i batteriet.

Nye batterimaterialer

Ola Nilsen er materialforsker. Det vil si at han utvikler nye funksjonelle materialer og designer materialene atom for atom.

Forskerteamet hans utvikler nå helt nye katode- og anodematerialer. De jobber også med å lage tynne grenseflater av materialer som skal hindre reaksjoner mellom disse delene og elektrolytten.

Dessuten jobber de med å endre strukturene i batteriet, slik at det blir mindre endringer i materialene når litiumionene beveger seg fra anoden til katoden, og den omvendte veien under lading.

– Litiumioner ligger innimellom andre materiallag. Hvis disse lagene synker sammen når litiumionene går ut, kreves det mer energi for å få dem tilbake under oppladning. Hvis man klarer å redusere denne volumendringen, blir det lettere å lade opp og ta ut strøm. For at materialet ikke skal klappe sammen, kan man i dag ikke ta ut alle litiumionene.

I dag er det mulig å ta ut mellom en tredel og halvparten av litiumet i materialet. Man får derfor ikke tømt batteriet helt. Det kan sammenlignes med at tappekranen henger altfor høyt oppe på vannbeholderen.

Forskeren poengterer også en merkverdighet for oss normale, dødelige: – Jo kjappere et batteri tømmes, desto mindre energi får du ut av batteriet.

Den raske utladningen fører til enda et problem:

– Hvis ionestrømmen er stor, må ionene gå fort igjennom elektrolytten. Det øker motstanden og mye energi går tapt. Vi må ikke glemme at det eneste poenget med elektrolytten er at anoden og katoden ikke skal ha kontakt med hverandre. For å gjøre motstanden minst mulig, ønsker Ola Nilsen å ha en så tynn elektrolytt som mulig.

BATTERISJEF: Professor Helmer Fjellvåg ved Universitetet i Oslo koordinerer batteriforskningen i et stort EU-prosjekt, der fem universiteter og tre europeiske industriforetak er med. Foto: Yngve Vogt

Nanotynne lag

Løsningen er å lage noe han kaller tynnfilmbatterier. Universitetet i Oslo er verdensledende i nettopp tynnfilmteknologi. For å overføre mye energi på en gang uten å skade elektrolytten, ønsker han å lage en så stor elektrolyttflate som mulig.

– Med økt areal får man et “snillere” batteri, samtidig som det gir ut mer energi. Da får vi nettopp det vi ønsker i bilbatterier: Høy effekt på kort tid. Også her kommer nanoteknologien inn.

Inspirert av menneskecelle

– Elektrolytten i nanobatterier skal etterligne veggene i mitokondrier, som er energimotorene i menneskecellen. Vi skal altså etterape kroppens geniale energiforsyning i menneskeceller for fremtidens batterier.

Overflaten til mitokondrium er brettet sammen i en lang folderekke, omtrent som overflaten i en radiator. I utbrettet versjon ville mitokondrien ha dekket en enorm flate.

Ola Nilsen ser for seg at tynnfilmen skal være mellom en mikrometer og en halv millimeter tykk. Elektrolytten blir mindre enn 100 nanometer tykk. Jo tynnere, desto bedre. Da blir motstanden enda mindre.

I dag bruker en del batterier flytende væske i elektrolytten. Men det er ikke mulig å fordele væsken jevnt utover i alle foldene i et tynnfilmbatteri.

Dersom batteriet skal ha struktur som et mitokondrium, må man bruke fast stoff i elektrolytten.

– Hvis det er mulig å lage slike strukturerte batterier, kan vi få stor kraft på kort tid, og selv om spenningsfeltet er høyt, blir det likevel ikke stor belastning for batteriet. Slike batterier vil dessuten være glimrende i kredittkort.

– Ingen har laget dette før. Vi skal lage det først. Vi tenker oss å bruke strukturer som har en sinnssykt stor overflate. Hele poenget er å få ned effekten per areal, samtidig som vi øker utnyttelsesenergien og samtidig med at batteriet ikke skal bli for stort. Det betyr at både anoden, katoden og elektrolytten skal ned på nanonivå, påpeker Ola Nilsen.

Tar patent

Karbon er et egnet materiale til å pakke inn litiumionene. Bytter man ut karbon med silisium, blir effekten fem ganger så stor. Problemet er at silisium kan være ustabilt og ødelegge de ulike delene i batteriet.

Ola Nilsen har allerede bestemt seg for hvilke materialer han skal bruke i anoden og katoden. Han vil ikke fortelle hvilke før de har tatt patent på dette, med god drahjelp fra Birkeland Innovasjon ved Universitetet i Oslo.

20 år

– Litiumbatterier vil bli en revolusjon i bilsektoren. Om 20 år er den vanlige kapasiteten for elektriske biler ladefri kjøring fra Oslo til Trondheim, tror professor Helmer Fjellvåg.

Prosjektet deres er ferdig om tre år. Likevel kan det ta fem til ti år før de første nanolitiumbatteriene er på markedet.

– Industrien trenger denne tiden til langtidstesting. Det er mange sikkerhetsaspekter som må på plass. Vi snakker om vanvittig mye energi på liten plass. Denne energien skal være under kontroll, også ved brann og kollisjoner. Så det er viktig med god fokus på helse, miljø og sikkerhet, sier Helmer Fjellvåg.

Private hjem

Batteriene skal også kunne brukes i private hjem til energilagring.

– Solen gir energi om dagen, når folk ikke er hjemme. For at solcellene i eneboligen skal kunne utnyttes bedre, må vi ha et energilager. Energien kan lagres i form av varmt vann eller hydrogen. Den tredje muligheten, som kanskje er den beste, er batterier, påpeker Helmer Fjellvåg.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Kjemi, Fysikk Av Yngve Vogt
Publisert 16. des. 2009 00:00