En ny typ av aluminiumbatterier öppnar för storskalig lagring av solkraft och vindkraft. Batterierna är dubbelt så energitäta som sina föregångare, görs av råvaror som det finns gott om och kan troligtvis minska både produktionskostnader och miljöpåverkan. Bakom konceptet står forskare på Chalmers tillsammans med kollegor vid National Institute of Chemistry i Slovenien.

I det nya konceptet består anoden och katoden av aluminium respektive ett organiskt material som är uppbyggt av den kolbaserade molekylen antrakinon. Katodmaterialet tar effektivt emot positiva laddningsbärare från elektrolyten. Yen Strandqvist

– Vår batteriteknologi ger dubbelt så hög energitäthet jämfört med de aluminiumbatterier som är ”state of the art” idag, säger Patrik Johansson som är professor vid institutionen för fysik på Chalmers. Dessutom är materialkostnaden betydligt lägre, liksom miljöbelastningen som vi ser den idag. Detta öppnar för storskaliga användningsområden som solcellsparker och lagring av vindkraft.
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.
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, säger chalmersforskaren Niklas Lindahl, som studerat de interna mekanismer som styr energilagringen. Nu fortsätter arbetet med att hitta en ännu bättre elektrolyt, eftersom den nuvarande innehåller klor. Det vill vi komma bort ifrån.
Än så länge finns inga aluminiumbatterier på marknaden och de är relativt nya även inom forskningsvärlden. 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, säger Patrik Johansson. 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.
Resultaten som visar att och hur det nya konceptet fungerar, har publicerats i tidskriften Energy Storage Materials.

I november 2015 vann Patrik Johanssons idé om ett nytt batterikoncept närmare en miljon kronor i en innovationstävling som arrangerades av kemikoncernen BASF. Hans team presenterade redan då en aluminiumbaserad batteriteknologi. Konceptet skulle dessutom ge både högre energitäthet och markant lägre råvarukostnader. Fyra år senare har idén blivit ett verkligt koncept genom ett tätt samarbete med National Institute of Chemistry i Slovenien. En av forskarna, Jan Bitenc, fick 2017 ett stipendium från Rune Bernhardssons grafenfond och fick därmed möjlighet att gästforska på Chalmers. Det innebar att de två forskargrupperna, med Göteborg som bas, kunde börja anta en utmaning tillsammans. Medan Chalmers stod för aluminiumanod och elektrolyt hade Jan Bitenc en organisk katod som visat sig fungera väl i magnesiumbatterier. Projektet blev starten till ett flerårigt samarbete där katodmaterialet utvecklades för att bli tåligare och mekanismerna som styr energilagringen analyserades.

Filed under: SvenskTeknik