Norge

Nanoteknologi skal gi oss nye superbatterier

Laget hennes i Trondheim deltar i et omfattende kappløp. Hele verden venter på resultatene

I laboratorier ved NTNU utvikles en ny generasjon batterier med svært kort ladetid og lang holdbarhet. Førsteamanuensis Fride Vullum-Bruer leder prosjektet.
  • Ole Magnus Rapp

Hvorfor viser ikke norsk industri større interesse for å produsere disse små oppladbare energikildene som hele verden trenger mer og mer?

— Norge har tilgjengelige, billige og miljøvennlige råstoffer. Vi har kompetanse og ikke minst, vi har ren energi, vannkraft, som skal til for å fremstille en ny type litium ion-batterier, sier førsteamanuensis Fride Vullum-Bruer ved institutt for materialteknologi på NTNU.

Hun er prosjektleder på «Trondheim-laget» der eksperter fra flere fagfelt og institusjoner utvikler grønnere og sprekere batterier til mobiler, PC-er, elbiler og alt annet som trenger en lett og mobil energikilde.

Konkurransen om å komme med de beste løsningene til neste generasjons batterier er hard. Mange forskerteam rundt om i verden deltar.

Fremtidens batterier må også være så grønne, det vil si miljøvennlige, som mulig.

Man vil ha batterier som:

  • Er små og lette
  • Er produsert på en miljøvennlig måte
  • Skal kunne vare lenge
  • Skal levere effekt også i kulde
  • Skal tåle varme
  • Ikke skal forurense etter at de er oppbrukt

«Fotballstadion-modellen»

Kunsten er å finne et billig og godt stoff som både gir og tar ioner, i dette tilfellet positivt ladd litium. Her mener Trondheims-forskere å ha funnet en katode, den positive enden i batteriet, som er basert på litium, jern og silisium, uten dagens bruk av de miljøfarlige stoffene kobolt, krom og nikkel.

Forskerne har Real Madrids hjemmebane Santiago Bernabéu Stadion i bakhodet når de pønsker ut moderne batteriteknologi. Der er det plass til 85.454 tilskuere. Alle disse kan i løpet av svært kort tid forlate stadionet siden det er veldig mange utganger. Batteriforskerne i trønderhovedstaden har kommet frem til at «trengsel ved utgangen» også er den største utfordringen i dagens moderne batterier.

Nanostrukturer

Målet er at ionene skal strømme fritt, og ikke hope seg opp. I morgendagens batteri skal det bli lettere for både ionene og elektronene å gå inn og ut av de ulike områder.

— Vi mener å ha funnet en løsning basert på nanostrukturer. Avstandene internt i batteriet er kortet ned, og strømmen av elektroner kan gå uhindret og mye raskere. Etter mønster av de mange utgangene på stadion i Madrid, sier Fride Vullum-Bruer.

En nanostruktur er, enkelt fortalt, et stoff med stor overflate, der mange reaksjoner er mulig innenfor et begrenset areal. Og, ikke like enkelt forklart, er den ikke-hemmelige delen av innholdet i katoden til Trondheim-forskerne: Li2 (Fe, Mn) SiO4.

Slik virker et moderne batteri:

Slik virker et moderne batteri:Elektroner går fra anoden (negativ pol på batteriet) til katoden (positiv pol på batteriet) og gir strøm til for eksempel en lyspære. Samtidig går litium-ioner fra anoden til katoden gjennom elektrolytten. Anoden til venstre er en grafittanode. Til høyre en katode av et metalloksid. Mellom disse er det en separator som er nødvendig for å unngå kortslutning mellom anoden og katoden. Når batteriet lades opp, går elektronene den andre veien, fra katoden til anoden i en ytre krets, og litium-ionene går fra katoden til anoden gjennom elektrolytten.
  • Elektroner går fra anoden (negativ pol på batteriet) til katoden (positiv pol på batteriet) og gir strøm til for eksempel en lyspære.
  • Samtidig går litium-ioner fra anoden til katoden gjennom elektrolytten.
  • Anoden til venstre er en grafittanode.
  • Til høyre en katode av et metalloksid.
  • Mellom disse er det en separator som er nødvendig for å unngå kortslutning mellom anoden og katoden.
  • Når batteriet lades opp, går elektronene den andre veien, fra katoden til anoden i en ytre krets, og litium-ionene går fra katoden til anoden gjennom elektrolytten.

Kortere ladetid

Forskerne leter etter nye stoffer som vil øke batteriets kapasitet. Et mål er å doble dagens effekt, noe man mener er fullt mulig innenfor økonomisk fornuftige rammer. Flere av grunnstoffene som benyttes, blant annet silisium som kommer fra kvarts, finnes det rikelig av i norsk natur. Her er også jern og litium, samt andre spennende metaller som elektronikkindustrien trenger. I tillegg er batteriproduksjonen kraftkrevende, og her kan ren norsk vannkraft få en viktig rolle.

— Også moderne elbiler, blant dem bestselgeren Tesla, trenger litiumbatterier. Her er det å tåle frost, samt lang varighet, viktig. Klarer man i tillegg å spare vekt, blir nok bilprodusentene glade, sier Vullum-Bruer.

For en ny generasjon bilbatterier er det dessuten et mål at ladetiden må ned, i første omgang til det halve.

På laboratoriet til NTNU i Trondheim produseres det inntil videre kun små litium-ion-batterier. Her eksperimenterer man med forskjellige stoffer og måler resultatet av ulike sammensetninger. Også her er kort ladetid et poeng, og man har allerede laget batterier der 12 minutter ladning gir topp kapasitet.

Bruker restmetaller

Jakten på billigere batteriråstoff har brakt forskerne til «slagghaugene» ved landets store industribedrifter – som Elkem og Rana Gruber AS. Her finner de kasserte produkter som kan gi billig og miljøvennlig kraft i nye batterier.

— Silisiumoksid er restprodukter fra Elkems solcelleproduksjon. Jernoksid er produsert ved Rana Gruber AS i Mo i Rana, sier Fride Vullum-Bruer. Disse stoffene testes nå ut sammen med litium, og gir oppsiktsvekkende gode resultater.

I tillegg til bitte små batterier til elektronikk trenger Norge enorme batterier som kan lagre energien fra vannkraftverkene. I dag sendes kraften ut på nettet og selges til Europa når produksjonen er høyere enn forbruket. Så kjøpes kraft tilbake når produksjonen er liten og forbruket stort.

Forskerne i Trondheim samarbeider med ekspertise blant annet i USA, der man utvikler «batterier» store som hus og der flytende metall blir brukt for å lagre elektrisitet fra kraftverkene.

Må konkurrere med Asia

Norsk industri er ikke uvillig til å produsere små batterier til elektronikk, men foreløpig vinner Asia på pris.

Da Tesla-gründer Elon Musk nylig besøkte Norge, møtte han energiminister Tord Lien og var helt tydelig på ønsket om en norsk fabrikk for litiumbatterier.

— Vi diskuterte utviklingen av fornybarsamfunnet, sier Lien til Dagens Næringsliv.

Bellona-leder Frederic Hauge har samarbeidet tett med Tesla-utviklerne i flere år, og var til stede på møtet. Han ser for seg en stor, fremtidig industri der norsk kompetanse, råstoff og energi sammen skaper grønne og lønnsomme batterier.

— Norge har enorme muligheter til å skape industri rundt den elektroniske revolusjonen som skjer nå. Småelektronikk og biler er én ting, men hva om deler av skipstrafikken gikk over på eldrift, sier Hauge som også er medlem i EU-kommisjonens teknologiplattform for batterier.

  • Les også:

Les også

  1. Kroppen er den nye laderen

  2. Dette er en elbil uten rekkeviddeangst

Les mer om

  1. Forskning og vitenskap
  2. Teknologi