Teknologiske tendenser
Natrium-ion-batteri: den nye trend for fremtidens elbiler
juli 19, 2021
Dele:
Baggrund
Prisen på batteriet til et elbil
Hvorfor elbiler har brug for bedre batterier
Elbiler, især dem der bruger vedvarende energi til at generere elektricitet, ses som den fremtidige model, der vil bidrage til den globale klimabeskyttelse. Men i årevis har bilproducenter brugt sjældent og relativt dyrt lithium i batteriteknologi, hvilket har bremset tempoet i den massive udbredelse af elbiler på verdensplan.
Selvom elbiler, erhvervskøretøjer og elcykler er i fuld gang, er de stadig begrænsede i brug. Høje priser, besværlige ladefaciliteter og en batteriproduktionsproces, der forbruger store mængder råmaterialer, hæmmer den hurtige udvikling af elbiler.
For at gøre elbiler bredt tilgængelige, skal bilproducenter introducere batterier, der er mere kraftfulde, holdbare, bæredygtige og overkommelige i pris.
Natrium i stedet for litium
Materialesammenligning
Natrium i stedet for lithium
Natrium-ion-batterier kan være en mulig løsning, og den seneste udvikling inden for natrium-ion-batterier har været overraskende progressiv. I den nærmeste fremtid kan natrium-ion-batterier muligvis erstatte litiumbatterier, der bruges i elbiler, smartphones eller bærbare computere.
Lithium og natrium, to alkalimetaller, har meget lignende kemiske egenskaber. Selvom natrium har en lavere energitæthed sammenlignet med det sjældnere lithium, er natrium lettere at få fat i og vil være relativt billigt.
Lovende gennembrud
Prototypefremskridt
Lovende gennembrud
Natrium-ion-batteriers ydeevne er stadig omkring 20 år bagud i forhold til litiumbatteriers. Årsagen er, at forskere i det seneste årti eller deromkring kun har fokuseret på at udvikle litiums stærkere ydeevne.
I dag findes der ikke kun banebrydende videnskabelige publikationer, men også meget fremsynede prototyper. Ifølge en rapport offentliggjort i maj gennemgik et natrium-ion-batteri udviklet i Sydkorea omkring 500 fulde opladningscyklusser, før dets kapacitet faldt til 80 procent af dets oprindelige kapacitet.
Et andet batteri, udviklet af et amerikansk-kinesisk forskerhold, kan klare omkring 450 opladninger med den samme batterikapacitet. Et kinesiskproduceret natrium-ion-batteri har en mindre kapacitet, men efter 1200 hurtige opladninger på 12 minutter har det stadig 70 % af sin batterikapacitet.
Det lyder måske ikke af meget, men i praksis kan disse batterier muligvis modstå et højere antal opladninger, fordi de typisk ikke genoplades efter at være blevet afladet i hverdagen. Fuldstændig afladning og genopladning af batteriet i eksperimentet er mere slid på batteriet.
Metallet lithium er mere sjældent og dyrt, men den mest nuværende batteriteknologi bruger lithiumbatterier. Den oprindelige figur viser de største lande med hensyn til lithiumreserver i 2019.
Derudover kræver natrium-ion-teknologi ikke brug af knappe ressourcer. Sjældne lithiumsalte er ikke nødvendige for at fremstille katoder, da bordsalt er tilstrækkeligt. Højtydende anoder kan fremstilles af brunkul, træ og anden biomasse. Kobolt eller lignende sjældne stoffer er ikke nødvendige i produktionsprocessen.
Grundforskning
Grafen- og natriumioner
Et gennembrud inden for grundforskning?
Natrium har to ulemper: det vejer tre gange mere end lithium, så selvom lithiumbatterier indeholder mindre end 5% af batteriets samlede vægt, ville et batteri med natriumioner stadig veje mere end et lithiumbatteri.
Derudover er natriumbatteriers ydeevne svagere. Da natriumioner bærer 0,3 volt mindre end lithiumbatterier, er der et uundgåeligt tab på omkring 10% energitæthed. Vigtigst af alt tillader grafitanoderne i nuværende batterier ikke nok natrium at forblive.
Ifølge en rapport udgivet af en tysk-russisk arbejdsgruppe ledet af Helmholtz Centre for Scientific Research (HZDR) i Dresden, Tyskland, kan nanocarbon bidrage til at forbedre dette problem. Rapporten bemærker, at brugen af et ultratyndt kulstofmateriale, dobbeltlagsgrafen, kan lagre flere natriumioner i anoden end grafit.
Hvis grafenelektroderne i fremtiden kan installeres i lithiumbatterier og erstatte de almindeligt anvendte grafitanoder i dag, kan det være muligt at øge batterikapaciteten betydeligt.
Krasheninkov, en fysiker ved HZDR, sammenlignede det med at lægge en lille kugle mellem to ark papir: Hvis du bliver ved med at tilføje små kugler mellem papiret, vil papiret blive skubbet længere fra hinanden, og mellemrummet mellem de to ark vil øges.
Kompatibel teknologi
Flerlagsstruktur
En kompatibel teknologi?
Hvis en flerlagsstruktur til lithiumbatterier virker, gælder den så også for andre alkalimetaller såsom natrium? Et team af arbejdere fra Dresden, Stuttgart og Moskva håber at finde ud af det ved hjælp af sofistikerede supercomputersimuleringer.
Fordi prototyperne af natrium-ion-batterier indtil videre ikke har fungeret godt, fordi natrium kun lige akkurat kan trænge ind i grafitanoden, viser computerberegninger, at natrium, ligesom lithium, kan indlejres mellem grafenlag i en flerlagsstruktur.
Hvis grafenelektroder i fremtiden installeres i natrium-ion-batterier i stedet for nutidens grafitanoder, kan der muligvis opnås en højere lagringskapacitet.
Resultaterne af disse undersøgelser kan give et gennembrud i udviklingen af billige natriumbatterier. Krasheninkov sagde, at arbejdet er rent teoretisk og ikke anbefaler udviklingen af en ny generation af batterier i den overskuelige fremtid baseret udelukkende på undersøgelsesresultaterne, men det kan give interessante nye ideer til ingeniører.
Fremtidens batterier
Fremtidsudsigter
Fremtidens batterier
Heldigvis er natrium-ion-batteriet ikke længere blot et teoretisk koncept. Et gennembrud inden for relaterede teknologier synes at være lige om hjørnet.
De seneste resultater viser, at der allerede findes praktiske, overkommelige og ressourceeffektive alternativer til dyre litiumbatterier, og de kan endda forbedre deres ydeevne gennem flerlagsstrukturer.
Det vil helt sikkert tage noget tid, før natrium-ion-batteriteknologi er klar til masseproduktion og brug i elbiler eller mobiltelefoner. Men når tiden er moden, burde der ikke være store problemer med at skifte produktionslinjen fra lithium-batterier til natrium-ion-batterier, fordi teknologien er relativt ens.
