Batterier leder an innen energilagring

Batterier er enheter som lagrer energi og frigjør den ved behov. Mens vanlige batterier genererer elektrisk energi gjennom direkte omdanning av kjemisk energi, illustreres energilagringskonseptet godt av "vannbatteriet" Nant de Drance som er et pumpelager. Det ligger høyt oppe i de sveitsiske Alpene og har en lagringskapasitet som overgår 400 000 elbilbatterier.

Dette vannbatteriet drives ved hjelp av vannkraftgeneratorer og to reservoarer, et øvre og et nedre. I de mest hektiske periodene slippes vann fra det øvre reservoaret ut for å generere strøm. Når det er overproduksjon av energi, pumpes vannet opp igjen og lagres for fremtidig bruk.

Selv om vannbatteriet er en fascinerende modell, skiller det seg fra vanlige, bærbare batterier som brukes til å drive store deler av det moderne hverdagslivet. Konvensjonelle batterier er elektrokjemiske celler eller serier av celler som produserer elektrisk strøm.

Få teknologier er viktigere enn elektrokjemiske batterier i industriens forsøk på å redusere karbondioksidutslippene. De driver elektriske kjøretøy, lagrer strøm fra solcellepaneler og vindturbiner og stabiliserer strømnettet. I de to sistnevnte bruksområdene er batterier avgjørende for å kunne skalere opp fornybare energikilder på en økonomisk forsvarlig måte.

På grunn av batterienes unike miljøpåvirkning, inkludert gruvedrift, avhending og hele livssyklusen til produksjonen, er det nødvendig med en grundig analyse. Dette sikrer at energiomstillingen ikke bytter ut ett sett med miljøproblemer med et annet som er minst like skadelig.

Elektrokjemiske batterier deles inn i tre hovedklasser: primær-, sekundær- og tertiærbatterier, med ulike cellekonstruksjoner innenfor disse brede kategoriene. Bruken av ulike metaller og elektrolytter innenfor disse klassifiseringene gir egenskaper som passer til ulike bruksområder.

Primærcellebatterier, også kjent som engangsbatterier, kan ikke lades opp igjen og må kastes etter bruk. De brukes ofte i bærbare enheter som lommelykter og annen storelektronikk. Eksempler er tørrbatterier, alkaliske batterier, sink-karbonbatterier og litiumprimærceller.

Alkaliske batterier er den mest populære typen engangsbatterier. Disse ikke-oppladbare batteriene er den mest økonomiske kategorien, og de holder en jevn utladningshastighet gjennom hele levetiden og gir pålitelig ytelse. Selv om de er praktiske, er alkaliske batterier ikke miljøvennlige på grunn av at de er til engangsbruk.

Oppladbare batterier, også kalt sekundærbatterier, kan lades opp og brukes flere ganger. I motsetning til primærbatterier som er beregnet for engangsbruk, bruker de eksternt elektrisk potensial til å reversere den kjemiske reaksjonen, slik at de kan brukes flere ganger. Disse cellene finnes i ulike kjemiske konfigurasjoner, inkludert bly-syre, nikkel-kadmium (Ni-Cd), nikkel-metallhydrid (Ni-MH) og litium-ion (Li-ion). Oppladbare batterier er generelt dyrere enn primærbatterier, og noen krever riktig håndtering for å forhindre overoppheting, noe som potensielt kan forårsake brann eller eksplosjon.

Tertiærbatterier er den minst vanlige batteritypen. I motsetning til primær- og sekundærbatterier er cellene separert fra andre komponenter helt til like før aktivering. Elektrolytten er den komponenten som oftest er isolert.

Reservebatterier eliminerer effektivt muligheten for selvutlading og minimerer kjemisk forringelse. De fleste reservebatterier er av termisk type, og de brukes nesten utelukkende i militære applikasjoner.

Resten av denne artikkelen vil fokusere på oppladbare litium-ion-batterier (Li-ion), som er den vanligste typen.

Li-ion-batterier er foretrukket type for bruk i et bredt spekter av bruksområder på grunn av deres lange levetid, høye energitetthet og ønskelige spenningsegenskaper. Den lange listen inkluderer små høreapparater, mobiltelefoner, datamaskiner, e-sykler, elektriske kjøretøy og energilagring.

Li-ion-batterier bruker vanligvis forskjellige materialer for anoden (negativ elektrode) og katoden (positiv elektrode). Ethvert ledende materiale, inkludert metaller, halvledere, grafitt eller ledende polymerer kan brukes som en elektrode.

Positive elektrodematerialer påvirker ytelsen, syklusen og levetiden til Li-ion-celler betydelig. Elektrolytten bærer positivt ladede litiumioner mellom anoden og katoden, mens separatoren blokkerer strømmen av elektroner inne i batteriet, slik at litiumioner kan passere gjennom.

Ved den negativt ladede anoden oppstår en oksidasjonsreaksjon og frigjør elektroner som beveger seg mot den ytre delen av kretsen. De fleste litium-ion-batterier bruker en blanding av grafitt som anodemateriale - en kombinasjon av naturlig grafitt utvunnet fra jorden og syntetisk grafitt, avledet fra oppvarming av petroleumskoks. Den resulterende blandingen har en lagdelt struktur som lar litiumioner komme inn i lagene under lading og ut under utladning.

Katoden er den positive elektroden til en celle der en reduktiv kjemisk reaksjon oppstår. Li-ion-batterier bruker forskjellige katodematerialer, inkludert litiumkoboltoksid, litiumjernfosfat og litiumnikkelmangankoboltoksid. Disse materialene kan reversibelt akseptere og skyte ut litiumioner inn i og ut av krystallstrukturen deres under lade- og utladningssykluser.

Li-ion batteriprodusenter må skaffe høykvalitets mineraler av eksepsjonell renhet. Følgelig ligger mer enn halvparten av kostnadene ved å produsere Li-ion-batterier i katoden og anoden. Montering av katoden, separatoren, anodene og strømkollektorene krever også nøyaktige monteringstrinn, inkludert plassering av individuelle lag og innpakning.

Utvikling av oppladbart Li-ion-batterier har eksistert i omtrent 30 år og har hatt en eksponentiell vekst i denne perioden.

Imidlertid har andre oppladbare batterikjemier, som blysyre, Ni-Cd og Ni-MH, eksistert i over et århundre. Hver av dem har sine egne fordeler og ulemper, som nevnt i de følgende avsnittene.

Blybatterier har eksistert siden slutten av 1800-tallet og er fortsatt mye brukt i dag. Disse batteriene er kostnadseffektive, resirkulerbare og krever ikke komplekse batteristyringssystemer for vedlikehold. Imidlertid har de en lav spesifikk energi og begrenset syklusantall i forhold til andre typer. Blybatterier brukes til å drive rullestoler, golfbiler, nødlys og biler med forbrenningsmotor. På grunn av tilstedeværelsen av bly, et kjent giftstoff, må de kasseres på en profesjonell måte ved slutten av levetiden.

Ni-Cd-batterier består av nikkeloksidhydroksid, metalliske kadmiumelektroder og en alkalisk kaliumhydroksidelektrolytt. En av deres primære fordeler er potensialet for hurtiglading, men den medfølgende ulempen er en høy selvutladningshastighet. I tillegg er kadmium, som bly, giftig.

Ni-MH-batterier gir trinnvise forbedringer i forhold til Ni-Cd, blant annet 30 % høyere ladetetthet per volum og mye langsommere selvutlading. Det tar imidlertid lengre tid å lade dem, og de er spesielt utsatt for kapasitetsforringelse ved gjentatte oppladinger.

Sammenlignet med de andre sekundære batterikjemikaliene er litium-ion-batterier en moderne oppladbar teknologi. De har en uovertruffen kombinasjon av høy energi- og effekttetthet, samtidig som de har et overlegent forhold mellom vekt og energi sammenlignet med de tre foregående typene. Li-ion-batterier er imidlertid ekstremt brannfarlige, noe som krever en beskyttelseskrets og forsiktig håndtering.

Nye generasjoner av avanserte litium-ion-batterier er ventet i nær fremtid. For eksempel litium-svovel-batterier, der litiumanoden forbrukes og svovel omdannes til en rekke ulike kjemiske forbindelser. Faststoffbatterier har også potensial, men dette konseptet har ennå ikke tatt steget fra laboratoriet til kommersiell levedyktighet.

Midt i vår store energiomstilling påvirker fremtidens batterier oss alle. Det gjelder både materialene som brukes, hvor metallene hentes og utvinnes og hvordan disse mineralene avhendes eller, ideelt sett, gjenbrukes. Bærekraftig batteriutvikling må ta hensyn til råmaterialenes kritiske betydning og reflektere grundig over anskaffelse, avhending og eventuell gjenbruk av disse mineralene.