Nýjar rafhlöður eru hlaðnar með brennisteini og sykri.

Lítið eitt af sykri er undravert bætiefni í nýrri gerð af rafhlöðum sem byggja á litíni og brennisteini. Rafhlaðan sem hefur verið 60 ár í þróun, er léttari og öflugari en rafhlöður eru í dag og mun m.a. þrefalda drægni rafbíla.

BIRT: 09/10/2022

LESTÍMI:

8 mínútur
Share on facebook
Þess vegna ættir þú að lesa greinina

Við þurfum á betri rafhlöðum að halda eigi rafbíllinn að skáka bensínbílnum

 

Okkur fer að skorta þau frumefni sem þarf í rafhlöðurnar núna.

Ímyndaðu þér rafhlöðu sem veitir rafbíl þínum drægni sem nemur 1.000, 1.500 eða jafnvel 2.000 kílómetrum á einni hleðslu – rafhlöðu sem er ódýrari, léttari og umhverfisvænni en þær litín-jónarafhlöður sem við notum núna í rafbílum, tölvum, snjallsímum og öðrum handfrjálsum tólum.

 

Slík rafhlaða er nú innan seilingar eftir að vísindamönnum tókst að blanda saman alveg réttan kokteil af litíni, brennisteini og dálitlu af sykri.

 

Niðurstaðan er svokölluð litín-brennisteinsrafhlaða sem hefur verið á óskalista vísindamanna allt frá árinu 1962 þegar hugmyndin var þróuð á teikniborðinu og einkaleyfi fékkst fyrir henni. En það er fyrst nú, 60 árum síðar sem rafhlaðan kann að vera hluti af hversdagslífi okkar.

 

Vísindamennirnir sem standa að þessu verkefni starfa við Monash University í Ástralíu og þeir eru óhræddir við að orða horfurnar varðandi litín brennisteinsrafhlöðu.

 

„Á minna en áratug gæti tækni þessi náð til farartækja, t.d. rafknúinna strætisvagna og vörubíla sem hægt væri að keyra frá Melbourne til Sydney (um 880 km, ritstj.) án þess að þurfa að endurhlaða hana,“ spáir Mainac Majumder prófessor.

Með frumgerð litín-brennisteins rafhlöðunnar frá Monash háskóla gæti 60 ára gamall draumur nú orðið að veruleika.

Leysir af hólmi 30 ára farsæld

Þegar að þessi nýja rafhlaða kemur á markað verður hún langþráð afleysing fyrir litín-jónarafhlöður sem hafa þjónað okkur dyggilega frá því uppúr 1990.

 

Í grunninn virka þessar rafhlöður eins. Þær innihalda tvö rafskaut sem eru aðskilin með svokallaðri raflausn, þ.e.a.s. vökva sem jónir en ekki rafeindir má leiða í gegnum. Jónirnar eru atóm sem hafa losað sig við rafeind. Þegar við hlöðum rafhlöðuna fara jákvætt hlaðnar jónir frá litín-rafskautinu yfir í hitt rafskautið sem jafnan samanstendur af grafíti, þ.e.a.s. kolefni. Þar geymast jónirnar í holrými milli kolefnisatómanna.

 

Þegar við notum rafhlöðuna og hún missir hleðsluna gengur ferlið í gagnstæða átt. Aftur eru það einungis jónirnar sem fara í gegnum vökvann inni í rafhlöðunni. Í gegnum leiðslur sem eru tengdar við rafskautin geta lausar rafeindir hins vegar farið út úr rafhlöðunni og í þá hringrás sem rafhlöðunni er ætlað að skila straum til – t.d. mótor í rafbíl.

 

Þess fleiri jónir sem rafhlaðan getur safnað í hinu rafskautinu þess stærri verður svokölluð orkuþéttni en hún vísar í hve mikinn straum hægt er að geyma í rafhlöðu.

Brennisteinn pakkar orku rafhlaðna þéttar

Þessi nýja litín-brennisteinsrafhlaða virkar í grunninn á sama máta og rafhlaðan í farsíma þínum. En þar sem rafskautin samanstanda af brennisteini í stað kolefnis getur rafhlaðan geymt mun meiri orku.

1. Jónir reika á milli rafskauta

Þegar við hlöðum litín-jónarafhlöðu flytjum við rafeindir frá einu rafskauti til annars. Þetta fær jákvætt hlaðnar jónir til að fara frá litín-rafskauti til annars rafskauts sem jafnan samanstendur af grafíti, þ.e.a.s. kolefni.

2. Holrými í rafskauti geymir jónir

Í kolefnis-rafskauti safnast litín-jónir í holrými milli kolefnisatóma þar til við notum strauminn í rafhlöðunni. Rafskautið getur geymt takmarkaðan fjölda jóna þar sem það þarf tvö kolefnisatóm til að binda eina jón.

3. Brennisteinn bindur fleiri jónir en kolefni

Í litín-brennisteinsrafhlöðum hreyfast jónirnar í gagnstæða átt milli rafskautanna. En það sem skiptir sköpum er að hvert brennisteinsatóm bindur tvær jónir. Þar með eykst orkuþéttnin og rafhlaðan getur geymt fimm sinnum meira af rafmagni.

Orkuþéttnin í rafskauti úr brennisteini er allt að fimm sinnum meiri en í grafít-rafskautum sem jafnan eru notuð í litín-jónarafhlöðum okkar. Það er einmitt þess vegna sem vísindamenn hafa um áratuga skeið reynt að fá litín-brennisteinsrafhlöður til að virka.

 

Vandinn hefur hins vegar falist í endingu þeirra. Í litín-brennisteinsrafhlöðum verða endurteknar hleðslur til þess að brennisteinninn bólgnar upp og dregst saman sem veldur því að rafskautin fara að springa eftir tiltölulega lítinn tíma. Vísindamönnum hefur því ekki tekist að pressa meira en um 50 endurhleðslur út úr rafhlöðunum. Auk þess hefur annar vandi sem hrjáir innviði þeirra takmarkað endinguna.

 

Eftir því sem litín-jónir fara fram og aftur milli rafskautanna mynda sumar þeirra efnatengingar við brennisteininn þannig að það myndast svonefnd pólýsúlfíð.

 

Það felur í sér að jónirnar draga dálítið af brennisteininum með sér yfir í litín rafskautin þar sem það á alls ekki heima. Þar leggst brennisteinninn á yfirborð rafskautsins og með tímanum brotnar litín-rafskautið niður og dregur úr getu og líftíma rafhlöðunnar.

 

Sykurviðbót leysir vandann

Nú virðist vera búið að ráða bug á báðum þessum vandamálum með einföldum hætti: Að bæta dálitlu við af bindiefninu glúkósa, þ.e.a.s. sykri, í brennisteinsrafskautið.

Vandinn með litín-brennisteinsrafhlöður er sá að það myndast filma af polýsúlfíðum á litín-rafskautunum (t.v.) sem heftir hreyfingar jónanna. Viðbót af sykri leysir vandann (t.h.).

Sykurviðbótin verður til þess að brennisteinninn myndar nýja formgerð sem styrkir það og veitir meira rými til að litín-jónir geti tengst við rafskautin.

 

Jafnframt sýna tilraunir vísindamannanna að sykurinn dregur úr myndun pólýsúlfíða og fyrir vikið endist litín-rafskautið mun lengur.

 

Samanlagt felur þetta í sér að frumgerð þeirra getur nú þolað um 1.000 endurhleðslur sem lyftir rafhlöðunni upp í sömu deild og hefðbundnar litín-jónarafhlöður.

 

Áströlsku vísindamennirnir sóttu sykurbrellu þessa í rannsóknargrein frá árinu 1988. Eitt sinn rakst einn af doktorsnemum háskólans, Yingyi Huang, á grein þessa sem lýsir því hvernig sykurinn getur bundið brennisteinsefni í jarðvegi. Hún lagði strax til við Mainak Majumder prófessor að prófa þetta á brennisteinsrafskauti.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Með því að sækja innblástur í 30 ára gamla rannsókn á allt öðru sviði fundu vísindamennirnir þannig leið að þeirri uppskrift sem getur rutt brautina fyrir gagnsemi litín-brennisteinsrafhlaða.

 

Orkuþéttnin í þessari nýju rafhlöðugerð mun einkum skipta sköpum fyrir rafbíla. Bílaframleiðendur keppast við að fá rafbíla til að keyra sem lengst á einni hleðslu og einnig er það mikið keppikefli að þyngd rafhlaðanna sé sem minnst.

 

Samanlögð þyngd á rafhlöðupakka bíla er breytileg en rafhlaða með 80 kWh í rafbíl hefur drægni sem nemur allt að 500 kílómetrum og vegur um 500 kíló. En það er um fjórðungur af heildarþyngd bílsins.

 

Núna geta litín-jónarafhlöður náð orkuþéttni sem er um 250 vött á klukkustund fyrir hvert kíló rafhlöðunnar. Litín-brennisteinsrafhlöðurnar geta tvö- eða þrefaldað þessa tölu í 500 eða 750 vött á klukkustund fyrir hvert kíló og þannig aukið verulega drægni rafbíla svo þeir kunna jafnvel að ná allt að 1.500 km.

 

Þetta felur í sér að rafbílar geta nú í fyrsta sinn keppt við vetnisknúna bíla sem eru annar grænn valkostur við bensínbíla.

Litín-brennisteinsrafhlaðan eykur drægni rafbílsins úr 500 í 1500 km. Þannig kemst hann lengra en bensínbíllinn og vetnisbíllinn sem geta náð um 1300 km.

Og kannski geta þeir með tímanum orðið ennþá betri. Fræðilega getur þessi nýja rafhlöðugerð fimmfaldað drægnina sem myndi þá enda í 2.500 km.

 

Nýja rafhlaðan hlífir umhverfi

Litín-brennisteinsrafhlaða mun ekki aðeins jafnast á við núverandi rafhlöður hvað varðar endingu og orkuþéttni. Hún mun einnig verða mun umhverfisvænni heldur en þær sem við höfum notað undanfarna áratugi.

 

Hefðbundnar litín-jónarafhlöður innihalda mörg fágæt frumefni, m.a. kóbolt sem gerir litín-rafskautið stöðugt og betra í að losa og taka upp jónir. Í nýju brennisteinsrafhlöðunum er kóbolt ekki nauðsynlegt og það er mikill kostur.

 

Vinnsla kóbolts úr opnum námum krefst stórra maskína og vörubíla og námuvinnslan getur valdið mikilli mengun auk þess að losa mikið magn af koltvísýringi.

 

Auk þess er kóbolt fágætur málmur sem er við það að verða uppurin. Alþjóðlega orkustofnunin IEA áætlar að vinnsla á kóbolti muni þegar árið 2030 ekki geta annað eftirspurn. Núna er um þriðjungur af öllu kóbolti unnið í Lýðstjórnarlýðveldinu Kongó en mannréttindasamtök hafa margsinnis kvartað undan hættulegum aðstæðum þar og notkun barna í námuvinnslunni.

Vinnsla á kóbalti í námum í Lýðstjórnarlýðveldinu Kongó vekur upp siðferðislegar spurningar vegna ómannúðlegra vinnuaðstæðna.

Að þessu leyti væri mikill ávæningur fólginn í því ef nýja litín-brennisteinsrafhlaðan gæti útilokað þörfina á kóbolti. Og vissulega er nóg af brennisteini. Það er tíunda algengasta frumefnið á jörðinni og algeng aukaafurð iðnaðar.

 

Enn einn vandi varðandi litín-jónarafhlöður varðar öryggi þeirra. Þannig getur kviknað í rafhlöðunni við skammhlaup sem stafað getur t.d. af skemmdum á rafhlöðupakkanum. Eldhættan magnast ennfremur af því að í tengingu milli litíns og kóbolts í öðru rafskauti er einnig að finna súrefni.

Litínjónarafhlöður dagsins í dag eru með súrefni í öðru rafskautinu. Þetta eykur hættuna á að kvikni í rafhlöðunni. Nýja litínbrennisteinsrafhlaðan er án súrefnis, þannig að áhættan er minni.

Rafskaut litín-brennisteinsrafhlaðanna inniheldur ekkert súrefni og því ætla vísindamenn að mun minni eldhætta fylgi þeim en fyrirrennurum þeirra.

 

Rafhlöðuverksmiðja eftir fimm ár

Vísindamenn við Monas University þurfa þó enn að leysa nokkur vandamál áður en litín-brennisteinsfrumgerðin getur tekið stökkið frá rannsóknarstofunni yfir í framleiðslu í miklum mæli.

 

Helst vandinn varðar filmumyndun á litín-rafskautinu og ekki hefur ennþá tekist fyllilega að leysa hann en vísindamenn eru vongóðir. Það sama á við um samstarfsfélaga þeirra, fyrirtækið Enserv Australia.

 

„Við ráðgerum að framleiða fyrstu litín-brennisteinsrafhlöðurnar í Ástralíu innan fimm ára,“ upplýsir forstjóri fyrirtækisins Mark Gustowski.

 

Margt bendir þannig til þess að það verði litín-brennisteinsrafhlaða sem fyrst ógnar litín-jónarafhlöðum nútímans.

 

En aðrar gerðir rafhlaða eru einnig í þróun. Þær eiga það sameiginlegt að ný frumefni koma þar við sögu sem fela þó bæði í sér styrk og veikleika.

Rafhlöður nýta ný frumefni

Þörfin fyrir öflugari rafhlöður og skortur á þeim málmum sem við notum í dag neyðir okkur til að nýta önnur hráefni. Næstu áratugi munum við sjá rafhlöðugerðir sem að auka vægi sitt á mismunandi sviðum.

1. Brennisteinn gerir rafhlöðuna léttari og öflugari

Eftir 5 – 10 ár fáum við rafhlöður sem grundvallast á litíni og brennisteini með allt að fimm sinnum meiri orkuþéttni en við eigum að venjast. Það gerir rafhlöðurnar minni og léttari sem er mikill kostur fyrir farsíma og rafbíla en einnig fyrir t.d. dróna.

2. Súrefni tífaldar drægni rafbílsins

Eftir 10 – 15 ár gætum við fengið rafhlöður þar sem annað rafskautið er úr litíni og hitt samanstendur af súrefni úr loftinu. Þau munu vera með orkuþéttni sem er tíu sinnum meiri en í núverandi rafhlöðum en það getur t.d. aukið drægni rafbíla í allt að 5.000 km.

3. Natrín getur komið í stað litíns

Við getum unnið ótakmarkað magn af natríni úr sjó og mörg fyrirtæki þróa nú rafhlöður með natríni í staðinn fyrir litín. Natrín-rafhlöðurnar eru með minni orkuþéttni en geta mögulega nýst til að geyma græna orku.

Rafhlöður nýta ný frumefni

Þörfin fyrir öflugari rafhlöður og skortur á þeim málmum sem við notum í dag neyðir okkur til að nýta önnur hráefni. Næstu áratugi munum við sjá rafhlöðugerðir sem að auka vægi sitt á mismunandi sviðum.

1. Brennisteinn gerir rafhlöðuna léttari og öflugari

Eftir 5 – 10 ár fáum við rafhlöður sem grundvallast á litíni og brennisteini með allt að fimm sinnum meiri orkuþéttni en við eigum að venjast. Það gerir rafhlöðurnar minni og léttari sem er mikill kostur fyrir farsíma og rafbíla en einnig fyrir t.d. dróna.

2. Súrefni tífaldar drægni rafbílsins

Eftir 10 – 15 ár gætum við fengið rafhlöður þar sem annað rafskautið er úr litíni og hitt samanstendur af súrefni úr loftinu. Þau munu vera með orkuþéttni sem er tíu sinnum meiri en í núverandi rafhlöðum en það getur t.d. aukið drægni rafbíla í allt að 5.000 km.

3. Natrín getur komið í stað litíns

Við getum unnið ótakmarkað magn af natríni úr sjó og mörg fyrirtæki þróa nú rafhlöður með natríni í staðinn fyrir litín. Natrín-rafhlöðurnar eru með minni orkuþéttni en geta mögulega nýst til að geyma græna orku.

Ein af þeim hugmyndum sem vísindamenn vinna með er litín-loftrafhlaða. Þar virkar súrefni úr venjulegu lofti sem annað rafskautið. Litín-loftrafhlaða getur fræðilega náð tíu sinnum meiri orkuþéttni en litín-jónarafhlaða og þannig helmingi meiri þéttni en litín-brennisteinsrafhlaða.

 

Vandinn felst þó í að ekki hefur tekist að gera rafhlöðurnar nægjanlega endingargóðar til að þola margar hleðslur.

 

Annar valkostur felst í svokölluðum solid-state rafhlöðum sem í staðinn fyrir vökvaraflausn eru búnar rafvaka í föstu formi. Fram til þessa hefur rafhlöðugerð þessi verið notuð í minni tól, t.d. púlsmæla og gangráða þar sem þættir eins og orkuþéttni og eldvarnir skipta sköpum.

 

Þar skiptir minna máli þó að efniskostnaður sé mikill sem er einmitt veikleiki solid-state rafhlaða.

 

Hvað kostnað varðar felast miklir möguleikar í þriðju rafhlöðugerðinni: Natrín-jónarafhlöðum. Hér er litíni skipt út fyrir natrín. Meðan litín er takmörkuð auðlind höfum við ofgnótt af natríni sem við getum unnið úr salti úr sjónum. Því miður er orkuþéttnin í natrínjónarafhlöðum ekki sérlega mikil.

 

Litín mun því áfram halda meginhlutverki sínu í flestum rafhlöðum okkar. Þó er mikilvægt að við sýnum miklu meiri dugnað í endurvinnslu þessa málms. Ef það tekst geta nýjar litín-brennisteinsrafhlöður orðið sú hreyfanlega straumauðlind sem heldur okkur akandi í marga áratugi.

BIRT: 09/10/2022

HÖFUNDUR: Mikkel Meister,

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: © Monash Energy Institute,© Ken Ikeda Madsen,© Monash Energy Institute,© Junior Kannah/AFP/Ritzau Scanpix,© Shutterstock,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is