Miljövänligare batterier av aluminium kan lagra sol- och vindkraft

– Vår batteriteknologi ger dubbelt så hög energitäthet jämfört med de aluminiumbatterier som är ”state of the art” idag. Dessutom är materialkostnaden betydligt lägre, liksom miljöbelastningen som vi ser den idag. Detta öppnar för storskaliga användningsområden som solcellsparker och lagring av vindkraft, säger Patrik Johansson som är professor vid institutionen för fysik på Chalmers. Det är forskare på Chalmers som står bakom konceptet tillsammans med kollegor vid National Institute of Chemistry i Slovenien.

Aluminium är en metall som teoretiskt kan ge batterier högre energitäthet, samtidigt som det redan finns en etablerad industri för både tillverkning och återvinning. Konceptet skulle dessutom ge markant lägre råvarukostnader, jämfört med dagens litiumjonbatterier. I tidigare aluminiumbatterier har man använt aluminium som anodmaterial och grafit som katodmaterial, men grafit ger ett för lågt energiinnehåll för att skapa battericeller med praktiskt användbar prestanda.

Organisk molekyl som katod

I det nya koncept som Patrik Johansson och Chalmers presenterar, tillsammans med Robert Dominkos forskargrupp i Ljubljana, har grafiten ersatts med ett nanostrukturerat organiskt katodmaterial. Det är uppbyggt av den kolbaserade molekylen antrakinon och har framställts och vidareutvecklats av Jan Bitenc, som gästforskat på Chalmers. Den organiska molekylen i katodmaterialet tar effektivt emot positiva laddningsbärare från elektrolyten – den lösning i vilken joner kan flyttas mellan polerna.

– Tack vare att det nya katodmaterialet gör det möjligt att använda lämpligare laddningsbärare, kan batteriet dra bättre nytta av aluminiumets potential. Nu fortsätter arbetet med att hitta en ännu bättre elektrolyt, eftersom den nuvarande innehåller klor. Det vill vi komma bort ifrån, säger Chalmersforskaren Niklas Lindahl, som studerat de interna mekanismer som styr energilagringen.

Litium en bristvara som behöver ersättas

Än så länge finns inga aluminiumbatterier på marknaden och de är relativt nya även inom forskningsvärlden. Dagens energitäta batterier innehåller litium. Metallen förväntas bli ännu dyrare än idag och kan bli en bristvara på grund av den ständigt ökande efterfrågan. Litiumjonbatterierna innehåller dessutom oftast metallen kobolt som bryts under dåliga arbetsförhållanden och eldar på konflikter i de länder där den utvinns. Frågan är då om aluminiumbatterierna kan komma att ersätta litiumjonbatterierna.

– Självklart hoppas vi det, men framförallt kan de bli ett komplement och se till att litiumjonbatterierna kan användas bara där de behövs. Än så länge är aluminiumbatterierna knappt hälften så energitäta som litiumjonbatterierna, men vårt långsiktiga mål är att de ska bli lika energitäta. Även om det återstår arbete med både elektrolyten och en bättre mekanism för uppladdning är aluminium i grunden en betydligt bättre laddningsbärare än litium då den är multivalent – vilket gör att varje jon ”kompenserar” för flera elektroner. Batterierna har dessutom potential att bli betydligt mindre miljöovänliga, säger Patrik Johansson.

Vetenskaplig artikel:

Concept and electrochemical mechanism of an Al metal anode ‒ organic cathode battery. (Jan Bitenc, Niklas Lindahl, Alen Vižintin, Muhammad E Abdelhamid, Robert Dominko och Patrik Johansson) Energy Storage Materials

Kontakt:

Patrik Johansson, professor, institutionen för fysik, Chalmers, patrik.johansson@chalmers.se
Niklas Lindahl, forskare, institutionen för fysik på Chalmers och numera verksam på institutionen för fysik på Göteborg universitet, niklas.lindahl@chalmers.se