Princippet bag lithium-luft-batterier har været kendt siden 1970’erne, men der er først med avanceret materialeforskning i 00’erne, at batteriet er kommet i fokus. Det skyldes blandt andet udsigten til en helt eksponentiel energikapacitet.
Teoretisk set vil et li-luft-batteri kunne indeholde 12 kWh/kg, hvilket er meget tæt på energiindholdet i benzin, som ligger på cirka 13kWh/kg. Med andre ord vil et batteri med en celle på 25 kg kunne indeholde 300 kWh og kunne fragte en elbil cirka 1.500 km.
Alt dette er selvfølgelig teori. For i praksis har li-luft-batteriet lidt under nogle tekniske udfordringer. For eksempel forsvinder hele 30 procent af den energi, som batteriet oplades med, som varme ved afladning. Samtidig blev batteriernes elektroder hurtigt nedbrudt og ødelagt af luftens indhold af CO2 og vanddamp.
Men nu har forskere fra MIT og Peking University vist en løsning på flere af de afgørende problemer i en artikel i Nature Energy. Professor Ju Li har stået i spidsen for udviklingen, og han siger til MIT News, at man i første omgang forventer at kunne fordoble kapaciteten i forhold til traditionelle lithium-batterier af den type, vi er blevet vant til ligger i elbiler og mobiltelefoner.
Ilt i tre faser
I Ju Lis batteri er batteriet opbygget som et lukket system, hvor ilt på intet tidspunkt befinder sig i gasfasen. Det er anderledes end hidtidige forsøg med lithium-luft-batterier, hvor atmosfærisk luft trækkes direkte ind i batteriet. Men lithium-luft-batterier er meget følsomme over for vanddamp og CO2, og der har derfor været brug for systemer til at rense luften.
Ilten i den nye batteri kan, alt efter om der er tale om op- eller afladning, bevæge sig mellem de forskellige faser af LiO2, Li2O2 og LiO2 uden på noget tidspunkt at befinde sig i en ren gasfase. De forskellige faser er meget ustabile, og forskerne kalder tilstandene for 'nanolithia'-partikler.
For at holde nanolithia-partiklerne stabile indgår de i et matrix bestående af Kobolt-Oxid, som former en slags nanosvamp. Her kan lithium- og ilt-ionerne gemme sig i en fast struktur.
Forskerne har vist, at de på den måde kan reducere tabet ved op- og afladning fra 30 til bare 8 procent.
Naturlig beskyttet mod overophedning
Samtidig er batteriet helt naturligt beskyttet mod overophedning, hvis det bliver overladet. Normale lithium-batterier skal beskyttes mod overladning, men i det nye batteri skifter processen, hvis den bliver for varm og går naturligt i stå. Faktisk har forskerne testet det ved at overlade det med 100 gange batteriets kapacitet i 15 dage, uden at der opstod nogen form for skade.
Op- og afladningen er også blevet testet og efter 120 gange var batteriets kapacitet kun faldet med 2 procent.
Heller ikke materialerne i det nye batteri er en forhindring for kommercialisering. Elektrolytten består af den 'billigste' form for carbonat, siger Ju Li, og mængden af kobolt er meget lille. I alt mener Ju Li, at batteriet er billigere, sikrere og mere egnet til opskalering end andre typer af lithium-luft-batterier.
Nu regner forskerne med at gå fra laboratorieforsøg til rigtige prototyper inden for et år. Men interessen for batteriet er allerede så stor, at der er ansøgt om patent på systemet og påbegyndt forhandlinger med potentielle batteriproducenter.
