På Gløshaugen i Trondheim arbeider en håndfull unge forskere for fullt med batterier. De kommer fra både NTNU og SINTEF og har bygd opp en økende aktivitet siden 2008 innenfor Gemini-senteret på Materialer og kjemi. Tre stipendiater jobber også tett opp mot det entusiastiske fagmiljøet, og til høsten kommer det inn enda en stipendiat.
Miljøhensynet står i fokus. I produksjon av batterier prøver forskerne å bruke miljøvennlige framstillingsmetoder med vann i stedet for organiske løsemidler og har fokus på at metodene skal være enkelt å oppskalere til industriell skala.
- Forskning på batterier er en verdensomspennende aktivitet, og man kan selvfølgelig tenke: Hvor kan lille Norge bidra? Men vi befinner oss faktisk helt i forskningsfronten i å tenke nytt og utvikle nye konsepter her på NTNU/SINTEF, sier Anita Fossdal. - Det vi forsker på nå kan vise seg å bli batterier i bruk om ti år!
Trenger forbedringer
Den generelle problematikken rundt batteri og levetid er velkjent, og utladede mobiler er et dagligdags fenomen. Både på jobb og hjemme, er det et "must" å ha laderen innenfor rekkevidde for ikke å miste kontakten med omverdenen.
Saken blir ikke bedre av at vi stadig laster ned nye app'er på mobilen som trekker mer strøm. Og at vi i stadig større grad omgir oss med apparater som krever batterilading.
Behovet for batterier som kan gi tilstrekkelig kapasitet, er derfor skrikende. Nye materialer og forbedringer på eksisterende løsninger, er etterlengtet.
Alternativer
Hovedaktiviteten til "batterigjengen" ved NTNU/SINTEF, ligger på litium-ion batterier som er det vanligste i dag siden de er lette og har høy kapasitet. Denne type batterier benyttes i alle av dagens bærbare applikasjoner- vi finner dem i både drill og høreapparat, og de dominerer også innenfor elektriske biler og hybridbiler.
- Litium-ion batterier er veletablert i verden, sier Fride Vullum-Bruer. - Problemet framover er at det begynner å bli lite igjen av materialet. Med dagens batteriteknologi er det rett og slett ikke nok litiumreserver i verden til at alle bensin- og dieseldrevne biler kan byttes ut med batteridrevne kjøretøy. Derfor må vi se etter alternative løsninger.
Forskerne arbeider derfor med å utvikle magnesium-ion batterier, en teknologi som ikke kan erstatte dagens batterier, men kan komplettere bildet og ha muligheter i nisjeområder. Gruppen har en søknad inne til Forskningsrådet på en oppfølging av dette arbeidet.
Mest nyskapende er tanken om å fremstille oppladbare magnesium-ion batterier ved å benytte mineralet olivin, et materiale som rett og slett kan "spas opp av jorden". Mineralet består av magnesium, jern, silisium og oksygen, og forskergruppen har søkt midler til et nytt prosjekt for å lage batterier der olivin er en viktig bestanddel.
- Vi ønsker blant annet å se om vi kan få tilsvarende resultater ved å benytte naturlig forekommende olivin sammenliknet med et materiale vi har fremstilt på lab'en. Dette er et arbeid basert på forskning vi allerede har gjort på materialer med samme oppbygning, men som inneholder litium i stedet for magnesium, sier Fride Vullum-Bruer.
Bedre ledningsevne
Selv mener forskerne de har kommet lengst når det gjelder katodematerialer og å framstille nanostrukturerte katoder. Her samarbeider de med Uppsala Universitet som er en av de beste forskningsgruppene i verden på feltet.
Alle batterier er nemlig oppbygd ganske likt med en katode og en anode som skilles av en elektrolytt, og det som kjennetegner alle kjente katodematerialer, er at de har dårlig ledningsevne for elektroner og for ioner.
- Ofte vil et katodemateriale bestå av så store korn at litium-ionet bare trenger inn i det ytre skallet av hvert korn når vi ønsker å lade batteriet vårt raskt. Derfor prøver vi nå på å erstatte de store kornene med mindre partikler (ned til 20-30 nm = nanometer) for å få utnyttet hele volumet. Vi tester også om det er mulig å belegge partiklene med et nanometertynt karbonbelegg for å få til en bedre transport av elektroner, forteller Anita Fossdal.
Flatt batteri i kulde
Også temperaturen påvirker batteriets ledningsevne og levetid. Ved høye temperaturer passerer litium-ionene greit gjennom elektrolytten mellom anode og katode, en transport som er nødvendig for at batteriet skal kunne levere strøm.
Ved temperatursenking vil egenskapene til elektrolytten endre seg. Dette kan vi selv merke i hverdagen gjennom at batteriet fort blir flatt når vi tar mobilen med på skitur. Forskerne jobber derfor med å finne metoder for å få batteriene til å fungere godt også ved lave temperaturer, for eksempel ved ulike tilsetninger til elektrolytten..
- Vi har fått en helt ny forståelse for hvor viktig materialstrukturen er og hvordan vi kan styre den gjennom å kontrollere "oppskriften" på materialet. Vi vet nå hvordan vi med enkle grep som å endre temperatur og holdetid ved varmebehandling kan skreddersy det materialet vi ønsker. Vi ser stor forbedring av egenskapene ved bruk av våre metoder, avslutter Fossdal og Vullum-Bruer som ser lyst på aktiviteten framover.
