Kemikerne kæmper med holdbarheden for batterier

Kemikerne kæmper med holdbarheden for batterier

Batteriers ydeevne stiger og stiger – det kniber mere med holdbarheden.

Der er sket store fremskridt inden for batteriteknologi, ikke mindst når det gælder ydeevne, men når det drejer sig om levetid og pålidelighed, går det kun langsomt fremad.

Det konstaterer Rosa Palacín fra Institut de Ciència de Materials de Barcelona i Spanien og Anne de Guibert fra batteriteknologivirksomheden Saft i Bordeaux i Frankrig i en oversigtsartikel i Science, hvor de beskriver de udfordringer, kemikerne står over for i bestræbelserne på at undgå, at batterier pludseligt går i stykker eller langsomt taber pusten.

Batterimarkedet er enormt. I 2013 var det på på 360 mia. kr. med en årlig vækst efter 1990 på 5 pct. Væksten sker primært inden for lithium-ion, der også tiltrækker de største investeringer, men blysyre­batterier dominerer stadig med en andel på ca. 90 pct. af den totale lagrede energi i batterier på næsten 400 GWh.

Herudover findes også et marked for nikkelbaserede batterier i form af nikkel-cadmium og nikkel-metalhydrid. Andre batteri­typer som flowbatterier eller natrium-svovl-batterier har derimod en minimal betydning.

Ideelt set burde alle processer i et batteri være reversible og kun omfatte de aktive materialer. Sådan er det dog ikke i virkeligheden, og derfor ældes batterier både, når de lagres, og når de bliver brugt.

Den vigtigste årsag til ældning under lagring er kemiske reaktioner mellem det aktive materiale i elektroderne og elektrolytten. Ved brug opstår mekaniske spændinger i elektroderne under afladning og opladning, der ødelægger reversibiliteten.

De simple blysyrebatterier

Forholdene er meget forskellige for de forskellige batterityper. Blysyrebatterier, som findes i biler til start, belysning og tænding, er kemisk set de mest simple med meget få materialer.

Batteriets anode (negativ) består principielt af rent bly, mens katoden (positiv) består af blyoxid og en elektrolyt bestående af svovlsyre.

Af hensyn til den mekaniske styrke anvendes dog blylegeringer med antimon og calcium, og det kan medføre, at batteriets opladnings­evne gradvist mindskes. Det er også observeret, at der kan dannes isolerende krystaller af blysulfat på den negative elektrode, som mindsker batteriets ydeevne med tiden.

I meget store blysyrebatterier, som anvendes til nødstrømsanlæg, kan der dog opstå en lagdeling i elektrolytten, så surhedsgraden ikke er konstant. Det kan føre til uens forbrug af aktivt materiale.

Men alt i alt er der dog tale om et begrænset antal uønskede processer i forhold til lithium-ion-batterier, der indeholder mange forskellige materialer. Den mest almindelige fejlårsag for blysyrebatterier er faktisk mekaniske skader på beholder eller terminaler.

Lithium-ion-gennembruddet

Lithium-ion-batterier har nu været anvendt kommercielt i 25 år.

De repræsenterer det største gennembrud inden for batteriteknologi efter blysyrebatteriet, som blev opfundet i sidste halvdel af 1800-tallet, og nikkelcadmium fra omkring 1900 med nikkelmetalhydrid-varianten fra midten af 1960’erne.

Lithium-ion-teknologien har mange fordele, ikke mindst når det gælder høj specifik energi, men batterierne udviser tydelige tegn på ældning.

Levetiden for et lithium-ion-batteri afhænger af, hvor meget det aflades før genopladning. Det er en langt hårdere belastning for et batteri at være udsat for 1.000 genopladninger, hvor batteriet bruges, til det er helt afladet, end 10.000 genopladninger, hvor det kun aflades 10 pct. Det skyldes en voldsom mekanisk belastning af grafitelektroden, som er den negative elektrode, når lithium-ioner indsættes i et fuldt afladet batteri.

Palacín og de Guibert bemærker, at lithium-ion-batterier ofte tilmed slet ikke er optimeret med henblik på lang levetid.

Det gælder ikke mindst inden for forbrugerelektronik, hvor man er tilfreds, hvis batteriets levetid blot er lidt længere end produktets levetid, som for mobiltelefoner er omkring tre år. Sådanne batterier er derimod optimeret for størst mulig specifik energi (Wh/kg).

Batteriets sundhedstilstand (State of health) angiver, hvor megen kapacitet batteriet har tilbage i forhold til sin oprindelige værdi. Sundhedstilstanden påvirkes meget af den temperatur, hvorved batteriet bruges. Det skyldes bl.a., at der dannes et tykkere lag omkring den negative elektrode ved høje temperaturer.

Som et af de sidste led i produktionen af et lithium-ion-batteri udsættes det for for en række afladninger og opladninger. Herved dannes et SEI-lag (Solid Electrolyte Inter­phase) ved den negative elektrode.

For at give lang levetid skal SEI-laget være stabilt. Da laget afhænger meget af elektrolytten, tilføres ofte stoffer som ethylencarbonat eller diethylcarbonat til elektrolytten med lithium-hexafluorofosfat (LiPF6). Derved øges den kemiske kompleksitet af hele batteriet.

En lang række teknikker, som coulometri (hvor man bestemmer mængden af aktivt materiale, der indgår i en elektrolytisk reaktion, ved at måle strømstyrken) og calorimetri (hvor man måler varmeudviklingen) har vist sig nyttige til at identificere årsager til ældning.

Da ældningsfænomener optræder på meget forskellige tidsskalaer, er det umuligt kun at forlade sig på accelererede ældningsforsøg. Det er nødvendigt at undersøge batterier, som har været anvendt i realistiske brugssituationer, med alle til rådighed stående eksperimentelle teknikker som optisk og elektronmikroskop, spektroskopi og kernemagnetisk resonans (NMR).

Der er ikke nogen simpel løsning, konkluderer Rosa Palacín og Anne de Guibert.

Kommentarer (7)

Det er en langt hårdere belastning for et batteri at være udsat for 1.000 genopladninger, hvor batteriet bruges, til det er helt afladet, end 10.000 genopladninger, hvor det kun aflades 10 pct.
det giver jo præcis samme mængde energi
10,procent at 10,000,ladninger..giver divideret 1000,fulde opladninger

  • 1
  • 5

Det er netop pointen, at størrelsen af hver afladning betyder meget for levetiden, ikke (kun) den totale mængde energi der har været ladet/afladet

Så det er bedre at lave mange små af-/ladninger end at køre batteriet i bund hver gang.

  • 2
  • 0