Teknologitrender
Natriumionbatteri: den nye trenden for fremtidens elektriske kjøretøy
juli 19, 2021
Dele:
Bakgrunn
Kostnaden for batteri til elbiler
Hvorfor elbiler trenger bedre batterier
Elbiler, spesielt de som bruker fornybar energi til å generere elektrisitet, blir sett på som fremtidens modell som vil bidra til global klimabeskyttelse. Men i årevis har bilprodusenter brukt sjeldent og relativt dyrt litium i batteriteknologi, noe som har bremset tempoet i den massive adopsjonen av elbiler over hele verden.
Selv om elbiler, nyttekjøretøy og elsykler er i full gang, er de fortsatt begrenset i bruk. Høye priser, tungvinte ladeanlegg og en batteriproduksjonsprosess som forbruker store mengder råvarer hindrer den raske utviklingen av elbiler.
For å gjøre elbiler allment tilgjengelige, må bilprodusenter introdusere batterier som er kraftigere, mer holdbare, bærekraftige og rimelige.
Natrium i stedet for litium
Materialsammenligning
Natrium i stedet for litium
Natriumionbatterier kan være et levedyktig alternativ, og den siste utviklingen innen natriumionbatterier har vært overraskende progressiv. I overskuelig fremtid kan natriumionbatterier kanskje erstatte litiumbatterier som brukes i elektriske kjøretøy, smarttelefoner eller bærbare datamaskiner.
Litium og natrium, to alkalimetaller, har svært like kjemiske egenskaper. Selv om natrium har en lavere energitetthet sammenlignet med det sjeldnere litiumet, er natrium lettere å få tak i og vil være relativt billig.
Lovende gjennombrudd
Prototypefremgang
Lovende gjennombrudd
Ytelsen til natriumionbatterier er fortsatt omtrent 20 år bak litiumbatterienes. Årsaken er at forskere det siste tiåret eller så bare har fokusert på å utvikle den sterkere ytelsen til litium.
I dag finnes det ikke bare banebrytende vitenskapelige publikasjoner, men også svært fremtidsrettede prototyper. Ifølge en rapport publisert i mai gikk et natriumionbatteri utviklet i Sør-Korea gjennom omtrent 500 fulle ladesykluser før kapasiteten falt til 80 prosent av den opprinnelige kapasiteten.
Et annet batteri, utviklet av et amerikansk-kinesisk forskerteam, kan fullføre omtrent 450 ladinger med samme batterikapasitet. Et kinesiskprodusert natriumionbatteri har en mindre kapasitet, men etter 1200 hurtigladinger på 12 minutter har det fortsatt 70 % av batterikapasiteten.
Det høres kanskje ikke ut som mye, men i praksis kan disse batteriene tåle et høyere antall oppladinger fordi de vanligvis ikke lades opp etter å ha blitt utladet i hverdagen. Fullstendig utlading og opplading av batteriet i eksperimentet er mer slitasje på batteriet.
Metallelementet litium er mer sjeldent og dyrt, men den mesteparten av dagens batteriteknologi bruker litiumbatterier. Den opprinnelige figuren viser de største landene når det gjelder litiumreserver i 2019.
I tillegg krever ikke natriumionteknologi bruk av knappe ressurser. Sjeldne litiumsalter er ikke nødvendig for å lage katoder, ettersom bordsalt er tilstrekkelig. Høyytelsesanoder kan lages av brunkull, tre og annen biomasse. Kobolt eller lignende sjeldne stoffer er ikke nødvendig i produksjonsprosessen.
Grunnforskning
Grafen og natriumioner
Et gjennombrudd innen grunnforskning?
Natrium har to ulemper: det veier tre ganger mer enn litium, så selv om litiumbatterier inneholder mindre enn 5 % av batteriets totale vekt, vil et batteri med natriumioner fortsatt veie mer enn et litiumbatteri.
I tillegg er ytelsen til natriumbatterier svakere. Siden natriumioner bærer 0,3 volt mindre enn litiumbatterier, er det et uunngåelig tap på omtrent 10 % energitetthet. Viktigst av alt, grafittanodene i dagens batterier tillater ikke nok natrium.
Ifølge en rapport publisert av en tysk-russisk arbeidsgruppe ledet av Helmholtz-senteret for vitenskapelig forskning (HZDR) i Dresden, Tyskland, kan nanokarbon bidra til å forbedre dette problemet. Rapporten bemerker at bruken av et ultratynt karbonmateriale, dobbeltlagsgrafen, kan lagre flere natriumioner i anoden enn grafitt.
Hvis grafenelektrodene kan installeres i litiumbatterier i fremtiden, og erstatte dagens vanlige grafitanoder, kan det være mulig å øke batterikapasiteten betydelig.
Krasheninkov, en fysiker ved HZDR, sammenlignet det med å legge en liten ball mellom to ark: fortsett å legge små baller mellom arkene, papiret vil bli presset lenger fra hverandre, og gapet mellom de to arkene vil øke.
Kompatibel teknologi
Flerlagsstruktur
En kompatibel teknologi?
Hvis en flerlagsstruktur for litiumbatterier fungerer, gjelder den også for andre alkalimetaller som natrium? Et team av arbeidere fra Dresden, Stuttgart og Moskva håper å finne det ut ved hjelp av sofistikerte superdatasimuleringer.
Fordi prototypene av natriumionbatterier så langt ikke har fungert bra fordi natrium bare så vidt kan trenge inn i grafitanoden, viser databeregninger at natrium, akkurat som litium, kan legges inn mellom grafenlagene i en flerlagsstruktur.
I fremtiden, hvis grafenelektroder installeres i natriumionbatterier i stedet for dagens grafitanoder, kan høyere lagringskapasitet oppnås.
Resultatene fra disse studiene kan gi et gjennombrudd i utviklingen av rimelige natriumbatterier. Krasheninkov sa at arbeidet er rent teoretisk og ikke anbefaler utviklingen av en ny generasjon batterier i overskuelig fremtid basert kun på studieresultatene, men det kan gi interessante nye ideer for ingeniører.
Fremtidens batterier
Fremtidsutsikter
Fremtidens batterier
Heldigvis er natriumionbatteriet ikke lenger bare et teoretisk konsept. Et gjennombrudd innen relaterte teknologier ser ut til å være nært forestående.
De nyeste funnene viser at det allerede finnes praktiske, rimelige og ressurseffektive alternativer til dyre litiumbatterier, og de kan til og med forbedre ytelsen gjennom flerlagsstrukturer.
Det vil helt sikkert ta litt tid før natrium-ion-batteriteknologi er klar for masseproduksjon og bruk i elektriske kjøretøy eller mobiltelefoner. Men når tiden er inne, burde det ikke være mye problem med å bytte produksjonslinje fra litiumbatterier til natrium-ion-batterier fordi teknologien er relativt lik.
