Nyt gennembrud øger metal-luft-batteriers levetid
more_vert
close
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Nyt gennembrud øger metal-luft-batteriers levetid

På DTU Energy arbejder de blandt andet med zink-luft-batterier og aluminium-svovl-batterier. Her ses litium-luft-celler fra deres laboratorium Illustration: DTU Energy

Åndende batterier, hvor metal reagerer med ilt hentet direkte fra luften, er en potentielt revolutionerende batteriteknologi.

En af slagsen, aluminium-luft-batteriet, kan næsten hamle op med fossile brændstoffer på energitæthed, er potentielt langt billigere end litium-ion-batterier og afhænger desuden ikke af sjældne metaller som kobolt.

Desværre følger der også store udfordringer med potentialet. De må løses inden teknologien kan blive reelt brugbar i stor skala. Udover en manglende genopladelig version, er aluminium-luft-batteriet nemlig også ekstremt udfordret på holdbarheden, fordi metallet bliver ved med at reagere med elektrolytten, når først batteriet er blevet taget i brug én gang.

Læs også: Forbedring af batterier er et langt, sejt træk

To forskergrupper på Massachusetts Institute of Technology (MIT) har dog nu taget afgørende skridt mod en løsning, der netop er blevet udgivet i tidsskriftet Science.

De har udviklet et spritnyt design af batterisystemet, hvor en oliebarriere pumpes ind og kapper forbindelsen mellem elektrolyt og anode, hver gang batteriet ikke er i brug. På den måde mindskes strømtabet mere end tusind gange i forhold til den konventionelle metode.

En smart løsning på en stor udfordring, mener Professor Tejs Vegge, der på DTU Energi har forsket i metal-luft-batterier gennem de sidste ti år.

»Aluminium-luft har en af de højeste energitætheden man kan opnå i et batteri. Det er dog samtidig teknisk enormt udfordrende at få dem til at holde længere, og det her i hvert fald et interessant skridt videre,« siger han.

Læs også: Norges nye ubåde kan drives af nyudviklede lithium-ion-batterier

Ifølge Douglas P. Hart, der er professor ved MIT og har været med til at udvikle den nye metode, anser mange forskere aluminium-luft-batterier, som måske det eneste mulige alternativ til litium-ion-batterier i biler.

Udover den høje energitæthed rummer teknologien nemlig også potentielt en anden betydelig fordel i forhold til litium-ion, siger Tejs Vegge.

»Fordelen er, at vi jo har så meget aluminium i jorden. Det er derfor noget, du potentielt kan skalere stort set uendeligt, og det kan du ikke med kobolt-baserede batterier.«

Udfordringen stiger med potentiallet

Modsat metal-ion-batterier reagerer metallet i metal-luft-batterier direkte med ilt fra luften, hvilket sparer en masse vægt og plads. Det besværliggør derimod også genopladning og medfører korrosion af anoden, hvilket tærer på batteriets levetid.

Metal-luft-batteri fra DTU Energys laboratorium Illustration: DTU Energy

Udfordringerne går igen i alle metal-luft-batterier, men stiger i takt med metallets energitæthed. Derfor er de potentielt mest attraktive løsninger også sværest at udvikle.

»Jo mere energi, man forsøger at lagre i et batteri, des mere reaktive er materialer typisk også. Det er det helt svære ved det her, når man gerne både vil have sin kage og spise den,« siger Tejs Vegge.

Læs også: Opladning med 400 kW giver 280 km på ti minutter

I aluminum-luft-batteriet kan aluminiummet også reagere direkte med elektrolyttens vand, hvilket producerer brint, men ingen elektroner.

»Du taber din aluminium uden at få energi ud af det, men til gengæld udvikles der brint inde i batteriet, som man bestemt heller ikke er interesseret i,« siger han.

Her kommer forskernes nyudvikling ind. De kan bremse for korrosionen ved at adskille vandet fra metallet med en oliebarriere.

Det har de gjort ved at placere en tynd membran mellem batteriets to elektroder. Når batteriet er i brug er der elektrolyt på begge sider af den. Når det ikke længere er tilfældet, erstattes elektrolytten tættest på metallet derimod med olie.

Resultatet er, at batteriet kun taber 0,02 procent af ladningen per måned, hvor det konventionelle aluminium-luft-batteri kan tabe helt op til 80 procent.

Læs også: Forskere finder nye veje til batterier i elektriske fly

Masser af anvendelsesmuligheder

I en test blev en prototype af systemet skiftevis brugt, sat på standby i 1-2 dage, brugt igen og så videre indtil det gik dødt. Det samme blev gjort med et konventionelt alumium-luft-batteri, som kun holdt i tre dage. Prototypen kunne derimod blive ved i 23 dage.

Læs også: Norske elfly-byggere tror ikke, at batterier er nok: Designer ny rækkeviddeforlænger

Og med den øgede holdbarhed kan teknologien på sigt anvendes på en lang række områder, mener Tejs Vegge. Blandt andet som en vigtig brik i visse dele af el-infrastrukturen i form af eksempelvis backup-systemer.

»Hvis du kan løse problemet med korrosion, så kan du have meget energi lagret lokalt i et billigt materiale, som så kan holde dig kørende, hvis strømmen går,« siger han.

Også i militæret er der stort behov for lette batterier med meget kapacitet. I den typiske soldats oppakning udgør batterier nemlig en stor del af vægten, og her er der ikke nødvendigvis brug for batterier, som kan genoplades.

Genopladning nødvendig i transporten

En anden anvendelsesmulighed kunne være i elbiler til for eksempel at forlænge rækkevidden, når der er brug for det.

Tejs Vegge forudser dog ikke, at teknologien kan gøre sit indtog som elbilers primære drivmiddel i stedet for fossile brændstoffer og litium-ion-batterier, før man får gjort batterierne genopladelige.

Læs også: Mineindustrien jagter metaller og mineraler på havets bund

»Den helt store udfordring, der skal løses, er stadig at gøre aluminium-luft-batterierne genopladelige. Hvor du kan benytte dem ligesom i en almindelig elbil, oplade batteriet, og så køre igen. Det kan man altså ikke med aluminium-luft-batterier, og det vil kræve noget helt nyt,« siger Tejs Vegge

Tidligere har Ingeniøren blandt andet skrevet om den israelske virksomhed Phinergy, der blandt andet bygger deres forretningsmodel på aluminium-luft-batterier til køretøjer.

Læs også: Israelsk startup: Vi er klar med 9-personers elfly om tre år

Med et batterisystem på 25 kg skulle deres elbil kunne dække 1.600 kilometer før det bliver nødvendigt at udskifte de 50 aluminiumsplader, der agerer brændstof. Tidligere i år indgik de et projekt til flere hundrede millioner med en kinesisk aluminiumsproducent.

Og der kan være fordele ved at benytte teknologien til transport. Selv med systemet, der pumper olie ind i batteriet, vil en opskaleret version nemlig kun veje en femtedel af en typisk lithium-ion-batteripakke til elbiler.

Bilfabrikanterne har dog enstemmigt valgt at satse på genopladelige batterier, og Danmark var et af de få lande, der nåede at brænde nallerne på batteriskiftestationer, da virksomheden Better Place måtte dreje nøglen om.

»Det har bare vist sig svært at få forbrugerne at tage konceptet med batteriskift til sig. Det så vi blandt andet med Better Place. Forbrugerne vil bare gerne have en teknologi, hvor man kan oplade på nogle få minutter og så køre videre,« siger Tejs Vegge.

Læs også: Kun Danmark og Israel ramt af Better Place-kollaps

Elektrokemisk produktion af ren aluminium

Når aluminium reagerer med ilt i et aluminium-luft-batteri produceres det faste stof aluminiumhydroxid.

For at bygge et genopladeligt aluminium-luft-batteri bliver man først nødt til at udvikle en mere effektiv metode, hvor man kan gendanne ren aluminium elektrokemisk, og det er en kæmpe udfordring, fortæller Tejs Vegge.

»Det er meget stabile reaktionsprodukter man danner, og det er meget svært at vende processen. I dag forsøger man sig primært med dyre katalysatorer, men selv med disse er effektiviteten for lav« siger han.

Læs også: Ny metode kan gøre genopladelige zink-luft-batterier rentable

Selv i genanvendelsen af aluminium-luft-batterier i dag, bliver man nødt til at ty til en meget energitung og CO2-producerende proces, som ligner den der benyttes til at udsmelte aluminium fra malm.

Derfor ville en løsning på udfordringen også potentielt påvirke hele aluminiumsproduktionen.

»Hvis du lykkedes med effektivt at omdanne aluminiumhydroxid elektrokemisk, så ville du ikke kun få et fantastisk batteri med meget høj energitæthed, men du ville samtidig kunne gøre den primære produktion af aluminium langt mere bæredygtig,« siger han.

Det ligger dog alt sammen et godt stykke ude i fremtiden, mener Tejs Vegge.

»Vi har i løbet af de sidste ti år fået langt bedre forståelse for de processer, der foregår i metal-luft batterier, men vi er endnu ikke kommet helt så langt med kommercielt gangbare løsninger,« siger han.

»Derfor går der nok også lige et stykke tid endnu, inden batterier baseret på aluminium eller magnesium samt luft eller svovl, erstatter alle litium-ion-batterier i biler; der skal mere forskning til.«

"En af slagsen, aluminium-luft-batteriet, kan næsten hamle op med fossile brændstoffer på energitæthed" - øhhh.. Aluminium–air battery - 1.300 (practical), 6.000/8.000 (theoretical) W·h/kg [1] Diesel - 13.333 Wh/kg [2] Uran - 80.620.000 Wh/kg [3]

Så det er en forbedring men NÆSTEN at hamle op med bare fossile, er det ikke.
Diesel (og Uran) har også den fordel at den kan producere energi - det kan batteriet ikke.

[1] - https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_energy
[2] - https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
[3] - https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

  • 3
  • 16

Spændende. Men hvad udleder batteriet af andre ubehageligheder (hvis det gør) under brug, udover "Når aluminium reagerer med ilt i et aluminium-luft-batteri produceres det faste stof aluminiumhydroxid."?

Produktionen er pt. (som jeg forstår "Selv i genanvendelsen af aluminium-luft-batterier i dag, bliver man nødt til at ty til en meget energitung og CO2-producerende proces, som ligner den der benyttes til at udsmelte aluminium fra malm.") ikke specielt klima-/miljøvenlig. Er det sandsynligt, at lykkes med "effektivt at omdanne aluminiumhydroxid elektrokemisk" i nærmeste et til to ti-år?

  • 2
  • 0

Kan huske at ting i Rusland holdte 25 år, elpære, batterier, køleskabe osv osv, her i vesten holder ting i 2 - 10 år pga kapitalisme.

  • 0
  • 14

Kan huske at ting i Rusland holdte 25 år, elpære, batterier, køleskabe osv osv, her i vesten holder ting i 2 - 10 år pga kapitalisme.


Vores gamle køleskab Atlas Crystal King, holdt over 40 år. Og den kørte stadigt, da den blev udskiftet. Vores nye grundfoss pumpe har også holdt mindst 30 år. Og, den er stadig ny. Mine to elektriske stiga græsslåmaskiner har holdt over 25 år, og fungerer stadig. Vores elektriske hækklipper holdt i over 30 år, og fungerer måske stadigt - men den blev væk ved flytningen for nylig.

  • 6
  • 0

Syntes det lyder som om der er langt igen:
Hvis vi kan pumpe olie ind mellem elektroderne.
Hvis vi kan genoplade batteriet
Hvis vi kan opdane aluminiumhydroxid og forhindre at det opbygges i batteriet.

Batteriet skal skifte tilstand mellem i brug og lager tilstand, det lyder som om at en lav last ikke er en god ide, fordi selvafladningen kan være forholdsvis stor, i forhold til selve forbruget.
25kg batteri til 1600km, lyder lidt for utroligt, der er omkring 10-20 gange længere end normale elbiler klarer i dag.

  • 0
  • 2

Hvis vi kan pumpe olie ind mellem elektroderne.
Hvis vi kan genoplade batteriet
Hvis vi kan opdane aluminiumhydroxid og forhindre at det opbygges i batteriet.


Man kunne også bare pumpe elektrolytten væk.
Ikke nødvendigt hvis 700km kun vejer 12kg.
Det gøres på fabrikker.

De er vist lidt optimistiske, for deres rækkevidde svarer til 7kWh/kg Al, og de 12kg er kun aluminiummet.
Det er jo en brændselscelle og de har ikke virkningsgrader over 50%. Fordelen er at du ikke skal have ilten med selv.

  • 3
  • 0

Hvor meget energi når hjulene på bilen i forhold til den totale energi til produktion/regenering af batteri ?

Altså hvad er virkningsgraden med dagens processer?
Hvad er realistisk opnåelig virkningsgrad med mere idelle processer?

Hvis vi ligger ned på virkningsgrader på 1/3 af et genopladeligt batteri, lige som med brint, så er det nok en nonstarter til elbiler. Præcis som brint er det.

  • 0
  • 0

Kunne man forestille sig en kasse på 5-10 Kg. man sætter ind bag i bilen, sætter et stik til, og så kan man køre 500 Km, ekstra.
Ved at kombinere det med et almindeligt genopladeligt batteri, så behøver der ikke kunne trækkes så mange ampere, for at forlænge rækkevidden.
Hvis kasserne blev standardiserede, så kunne man købe og bytte dem på turen.

  • 4
  • 0

Virkningsgraden for biler:
den er ca 38% for benzinbiler og 48% for Dieselbiler
målet før koblingen.
ca 8-12% når ud til kontakten mellem dæk og vej
8% for groft mønstrede dæk på en glat vej, 12 % for glatte dæk(Sliks: Formel 1 dæk) på tør vej.

  • 0
  • 5

Virkningsgraden for biler:
den er ca 38% for benzinbiler og 48% for Dieselbiler
målet før koblingen.
ca 8-12% når ud til kontakten mellem dæk og vej
8% for groft mønstrede dæk på en glat vej, 12 % for glatte dæk(Sliks: Formel 1 dæk) på tør vej.

@Jens Bastue Jacobsen.

Jeg kan ikke få talene til at hænge sammen.
Ifølge dine tal skulle transmsisionen have en virkningsgrad omkring de 21%.
Jeg ville ellers have regnet med en virkningsgrad på 95% eller lign.

Iøvrigt burde virkningsgraden fra motor til hjul være uafhængig af dækvalg.

Sidst men ikke mindst, så tvivler jeg på at du når en virkningsgrad på en benzinmotor på 38% når du tøffer rundt i byen med 50km/h.
De giver ingen mening med en teortisk maksimal opnåelig virkningsgrad i " sweet spot"
Hvad er ICE virkningsgraden ved almindelig kørsel

Det er også her at elmotoren er ICE overlegen.
Elmotoren har, udover nogle få procent, et sweet spot der dækker næsten hele omdrejningsområdet, og ved alle belastninger.

  • 4
  • 0

Ja det er netop en god ide.
Der vil også opstå et behov for en bærbar "batteri-reservedunk" til el-biler, fordi vi er nogle stykker som ind imellem glemmer at holde øje med de antal kilometer der er tilbage i "tanken". Så kan man hente en "batteri-reservedunk" i den nærmeste butik, lade 10-100 km på el-bilen og køre igen, i stedet for at skulle ringe til Falck og blive bugseret til næste lader.

  • 1
  • 1

Så kan man hente en "batteri-reservedunk" i den nærmeste butik, lade 10-100 km på el-bilen og køre igen, i stedet for at skulle ringe til Falck og blive bugseret til næste lader.

Mit gæt er at fremtiden indebærer, at Falck-bilerne kommer til at køre rundt med en "batteri-reservedunk" i form af et batteri, hvorfra der hurtigt kan lades 1-2 kWh, så man selv kan køre til nærmeste ladestander.
Med blot 50 kW ladning tager det kun 2-3 minutter. Et batteri på 10 kWh burde vel række og vil kun veje omkring 50 kg. Når Falckbilerne efterhånden selv bliver elektrisk, så tager man vel bare fra bilens eget batteri.

  • 4
  • 0