Svenske professorn: Batterier är kaotiska system

Allt fler nyhet om ”mirakelbatterier” dyker upp från olika batteriföretag och elbilstillverkare. Men de verkar aldrig komma i produktionsbilar, trots fagra löften. Svenske professorn Dag Noréus är skeptisk till en övertro på nya batterikemier som lovar guld och gröna skogar och ska komma snabbt.
– Mirakelbatterier är oftast till för att attrahera investerarkapital och har inte mycket med verkligheten att göra. Historiskt har bara ett fåtal laddbara batterikemier kommit fram, vilket återspeglar svårigheterna, säger Dag Noréus, professor i material- och miljökemi vid Stockholms Universitet.

Tidvis duggar rubrikerna tätt om mirakelbatterier som ska ge elbilar räckvidd på över 100 mil, kunna laddas på några få minuter samtidigt som de håller i mer än 20 år. Kinesiska tillverkare har också visat upp elbilar med solid state-batterier i år. Men vid närmare granskning visade det sig vara semi-solid-state och ingen utomstående har ännu fått testköra elbilarna som utlovar mirakel. För branschledande Tesla tog det fyra år att sätta sitt nya 4680-batteri med torr katod i produktion.

Carup konsulterade en av Sveriges främsta experter för att försöka reda ut om mirakelbatterierna är en chimär eller om de faktiskt finns runt hörnet. Dag Noréus är professor i material- och miljökemi vid Stockholms Universitet. Enligt Dag tas många mirakelbatterier fram för att attrahera riskkapital. Bara fyra olika batterikemier har kommit fram sedan blybatteriet gjorde sitt intåg.

– Först blybatteriet (PbA) från 1800-talet efter mycket möda.  Aktiva elektrodmaterial är bly och blyoxid som bildar blysulfat vid urladdning med svavelsyran i elektrolyten.  Tungt och giftigt! Kunde man inte hitta bättre redoxreaktioner, när det finns tusentals att pröva?  Men blybatteriet har i alla fall hyfsat reversibla elektrodreaktioner, säger Dag.

Än idag används blybatteriet som 12-voltsbatteri i de flesta personbilar. Inte förrän vid 1900-talets början kom det som sedermera blev Nickelkadmium-batterier.
– Vi fick vänta till 1900-talets början, då Edisonbatteriet (NiFe) kom och en långvarig patentstrid med Valdemar Jungner som var inne på samma kemi. NiFe har en bekymmersam parasitreaktion som bildar vätgas vid uppladdningen, vilket förbrukar den vattenbaserade elektrolyten och torkar ut batteriet. Jungner försökte antagligen bromsa parasitreaktionen genom att tillsätta kadmium till järnelektroden. Till slut var det inget järn kvar i elektrodmassan, men vi hade fått NiCd-batteriet som fortfarande tillverkas i Oskarshamn.

Inte förrän i slutet av 1900-talet dök det återuppladdningsbara NiMH-batteriet (nickel-metallhydridbatteri) och några år senare gjorde litiiumjonbatteriet sitt intåg i elektronik. Tack vare Tesla kom litiumjonbatteriet att revolutionera elbilar.  I grund och botten använder vi forfarande samma batteri med litium, även om olika underkemier finns. Idag tar LFP, järnfosfat, över en allt större andel.
– Mirakelbatterier är med andra ord rätt sällsynta. De olika Li-batterikemierna kommer att hitta sina nischer med tiden, säger Dag.

Enligt professorn är den stora utmaningen med laddbara batterier att de är kaotiska system. Nu börjar vi komma in på områden som förvirrar okunniga lekmän som artikelskribenten.
– Att laddbara batterier är kaotiska system är något de flesta nybörjare snubblar på. Laddbara batterier är kaotiska system. Alla elektrodreaktioner och parasitreaktioner måste vara helt reversibla annars spårar batteriet ur, när det upprepade gånger laddas upp och ur. Det är i stort sett omöjligt att uppfylla och hemligheten med hur främst parasitreaktionerna kan kontrolleras skyddas av de etablerade celltillverkarna. Men viktigt är att ha höga krav på material och tillverkningsprocesser. Om företag har problem med att hålla rent i sina anläggningar, kan man ju undra hur kollen är på de höga  kvalitetskrav, som behövs för att få sina laddbara celler att fungera över tid.

Dag Noréus jämför batterierna med världens svårberäkneliga vädersystem. Det kan räcka med en fjäril för att utlösa stormar.
– Det är kanske svårt att ta till sig att laddbara batterier har problem med irreversibla parasitreaktioner som gör dem till kaotiska system. En analogi är väder. Ibland hävdas att en fjärils vingslag kan utlösa en störning som leder till en storm.  Det låter otroligt men stämmer kanske. Spå väder och kontrollera laddbara batterier har sina likheter.  

Nya batteritillverkare som Northvolt har stött på stora problem och fått kassera stora mängder battericeller i uppstarten. Att jobba mot ett kaotiskt system är en enorm utmaning. Även fallande cellpriser är en stor utmaning.
– Det inses av de mer väletablerade batteriindustrierna. Att få någorlunda välfungerande laddbara batterier är att kunna förstå och motverka parasitreaktioner. Hur det görs är know-how som kan vara olämpligt att försöka patentera. De japanska kämpade mycket med dessa problem. De fick också ett försprång på flera år, i och med de låga cellpriser som gjorde att övriga celltillverkare inte satsade i samma utsträckning.  

Själv har han forskat mycket och fått fram förbättrade NiMH-batterier. Dag och hans medforskare har visat att Ni-elektrodens kapacitet kan förbättras med 30 procent. En fördel med NiMH-celler är att de kan laddas över flera tusen cykler, om kapaciteten begränsas till cirka 1100 mAh i den vanliga konsumentcellstorleken AA.
– Vi jobbar med den enklare NiMH-kemin som dock liknar Li-batteriets. Bägge är baserade på interkalation av laddningsbäraren i elektrodmaterialens atomstruktur.  I NiMH batterier är laddingsbäraren väteatomer och i Li-batterier litiumatomer. Den lagrade energin i NiMH batteriet är i huvudsak en väte-syrebindning (H-O). I Li-batterier motsvaras den av en litium-syrebindning (Li-O). Övriga atomer i strukturerna är mer till för att få syreatomerna så lättillgängliga som möjligt för laddningsbärarna. Eftersom Li-O bindningen är starkare än H-O bindningen blir cellspänningen högre i Li-batteriet än i NiMH-batteriet. Högre spänning ger högre batterikapacitet men också större drivkraft för störande och svårförstådda parasitreaktioner som kan få batteriet att spåra ur vid upprepade ur- och uppladdningar, säger professorn.
LÄS MER: