Batteriforskare kommenterar årets kemipris

Litiumjonbatteri. Foto: iStock
Publicerad 2019-10-09

Hallå där, Rakel Wreland Lindström och Göran Lindbergh, batteriforskare och lektor respektive professor vid avdelningen för tillämpad elektrokemi på KTH. Årets Nobelpris i kemi går till John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino för utvecklingen av litiumjonbatteriet. Skulle du kunna kommentera deras forskning och varför den är så betydelsefull?

Göran Lindbergh, professor i kemiteknik på KTH. Foto: Peter Ardell.

– Det är givetvis väldigt roligt att priset går till ett område som vi arbetar med, och det är glädjande att ett område som har stor betydelse för ett hållbart samhälle belönas. Utan utvecklingen av litiumjonbatteriet skulle vi inte ha den snabba utvecklingen inom elektromobilitet och bärbar elektronik som vi ser idag. Visionerna om uppkopplade prylar och emissionsfria transporter skulle inte vara möjliga utan dagens litiumjonbatterier.

Hur fungerar ett litiumjonbatteri? Vilka material ingår och vilka fördelar har det jämfört med tidigare laddningsbara batterier?

– Enkelt uttryckt består batteriet av två elektroder av olika

Rakel Wreland Lindström, lektor vid vid avdelningen för tillämpad elektrokemi på KTH.

material, där litiumjoner flyttas från den ena elektroden till den andra vid upp- respektive urladdning. De material som används mest idag är grafit (kol) på ena elektroden och en blandning av nickel-, kobolt- och manganoxid på den andra elektroden, omgivna av en organisk elektrolyt. 

–Batteriet har flera fördelar. Det har betydligt högre energitäthet än andra laddbara batterier, och kan därigenom ge exempelvis elfordon betydligt längre körsträcka än andra typer av batterier. Det har även en bra livslängd och kan laddas tusentals gånger utan att tappa allt för mycket kapacitet, vilket gör att batteriet vanligtvis inte behöver bytas under en bils livslängd.

De tre forskarna bakom det här Nobelpriset har genom de upptäckter de gjort bidragit till utvecklingen av litiumjonbatteriet på olika sätt. Kan du beskriva på vilket sätt har respektive upptäckt har bidragit till utvecklingen?

–Whittingham och Goodenough har gjort mycket viktig forskning kring material som har möjlighet att ta upp eller avge litiumjoner i kristallstrukturens hålrum, utan att drastiskt förändra sin struktur, så kallade interkalationsmaterial. Det gör att materialen kan cyklas väldigt många gånger utan att de åldras nämnvärt.

– Whittingham var den förste som upptäckte litiumjon-interkalationen under sina tidiga studier av titansulfid. Han har också gjort mycket arbeten på litiumjärnfosfat som idag är ett lågkostnadsalternativ till litiumkoboltoxid och används i bland annat hybridbussar.

– Goodenoughs arbete kring olika oxider av övergångsmetaller ligger till grund för de batterikemier som används idag baserade på blandoxider av nickel, kobolt och mangan.

 Yoshino är den som tog interkalationsmaterialen (material som har möjlighet att ta upp eller avge litiumjoner i kristallstrukturens hålrum, utan att drastiskt förändra sin struktur, red:s anm.) till en kommersiell produkt. Istället för att använda metallisk litium som negativ elektrod tog han grafit som också den kan interkalera (härbärgera, red:s anm.) litiumjoner. Grafit är både billigare och säkrare att använda än rent litium. Genom att använda en organisk elektrolyt, som är stabil i ett större spänningsintervall än vatten och som dittills använts i batterier, kunde cellspänningen fördubblas i jämförelse med exempelvis nickel kadmium-cellen som dominerade på den tiden. Högre spänning gör att cellerna kan lagra mer energi vilket gör att de kan användas i de energikrävande tillämpningar vi har idag utan att vara för tunga eller för stora. 

Vad har hänt sedan de tre Nobelpristagarna gjorde sina upptäckter och vad händer på forskningsfronten nu?

– Utvecklingen av litiumjonbatterier har gått snabbt framåt. Idag har cellerna betydligt längre livslängd, högre kapacitet, och högre cellspänning. Detta har åstadkommits genom optimeringar av sammansättningen av de aktiva materialen och elektrolyten samt genom designen av cellerna. De porösa kompositelektroderna har utvecklats så att man har minimerat förluster i form av resistanser och värmeutveckling.

– Nu går framtiden mot nya varianter av litiumjon-celler. Ett spår är att ändå använda litiummetall i den negativa elektroden, eftersom den har mycket hög kapacitet. Säkerheten kan ökas genom att en fast elektrolyt av polymera eller keramiska material används. Ett annat spår är att använda ett billigare katodmaterial, såsom svavel. Mycket forskning pågår även kring alternativa interkalerande joner såsom natrium, kalium eller magnesium, som är mer vanligt förekommande.

Var det väntat att årets kemipris skulle gå till forskare bakom litiumjonbatteriet eller hade du tippat andra vinnare?

– Inom batterikretsar har det i många år spekulerats om att utvecklingen av litiumjonbatteriet skulle belönas, så det var inte helt otippat.

Kan du berätta lite om KTH:s forskning inom det här området?

– På KTH har vi arbetat med litiumjonbatterier sedan mitten av 1990-talet. Forskningen idag har flera olika inriktningar. Det handlar om att bättre förstå och beskriva de processer som begränsar batteriets livslängd så att batterierna kan utnyttjas så bra som möjligt i olika tillämpningar. Men det handlar även om att titta framåt mot ännu bättre litiumjonbatterier så att de kan användas inom fler områden.

– Utveckling av batterier som bygger på andra material med mindre miljöbelastning är ett annat viktigt område, där batterier som använder natrium i stället för litium är ett exempel. Frågor kring återanvändning och återvinning är också aktuella. Integration och samspel mellan batteri och övriga komponenter, såsom elektronik och elmaskiner, är också viktiga forskningsfrågor.

Vad forskar ni om själva just nu?

– Vi är båda aktiva inom de områden som beskrivs ovan, men två spännande exempel är dels vad vi kallar strukturella batterier och flödesbatterier. Det första är batterier som både kan lagra energi och samtidigt bära mekanisk last. Det andra är batterier där energin lagras i en vätska och som främst är tänkta att användas tillsammans med förnyelsebar elproduktion som solceller och vindkraft. Generellt arbetar vi med experimentella metoder och matematiska modeller som kan beskriva och förutsäga batteriers egenskaper beroende på hur de används.

Berättat för Håkan Soold