Værd at Vide Natrium og kalium tager kampen op med lithium
Lithium-ion-batterier er blevet helt uundværlige for elektrificeringen af samfundet. De første lithium-ion-batterier blev udviklet i 1970’erne og 1980’erne af forskere som Stanley Whittingham, John Goodenough og Akira Yoshino, der hver især bidrog med afgørende forbedringer og opdagelser, der har ført til de batterier, vi kender og anvender i dag. De delte nobelprisen i kemi i 2019 for deres indsats; John Goodenough – der fylder 100 år 25. juli og stadig er aktiv forsker ved University of Texas i Austin – som den ældste nobelpristager nogensinde.
Batterierne fungerer ved, at positivt ladede lithiumioner kan diffundere gennem en elektrolyt mellem en anode til katode, mens negativt ladede elektroner samtidig løber i en ledning, der forbinder de to elektroder. Lithiumioner og elektroner løber én vej i kredsløbet under opladning og en anden vej under afladning. Gennem yderligere forskningsindsats er nutidens lithium-ion-batterier blevet mange gange bedre end de batterier, som blev udviklet af de tre nobelpristagere for 40-50 år siden. Den største fordel ved lithium-ion-batterier er deres høje energitæthed, som løbende er blevet forbedret med bl.a. nye anode- og katodematerialer. Energitætheder rapporteres nu op til 265 Wh/kg eller 670 Wh/l. Det kan godt være, at batterier til elbiler er tunge og kan veje op til 500 kg, men hvis ikke vi havde lithium-ion batterier, ville de være endnu tungere.
Men lithium-ion batterier har også deres problemer. Lithium er et ekstremt reaktivt grundstof; derfor har der været eksempler på batterier, der kan bryde i brand. Et helt andet problem er, at lithium er blevet et meget efterspurgt materiale, som for tiden kun udvindes relativt få steder. Der udvindes nu årligt omkring 100.000 ton - for 10 år siden var det kun en tredjedel heraf. Selv om størstedelen kommer fra Australien, er der dog også kommet stigende opmærksomhed på og bekymring over, at kinesiske selskaber styrer markedet. Dertil kommer, at prisen er høj. Af disse grunde er der et ønske om at finde alternativer til lithium-ion-batterier – og hvad er mere naturligt end at se sig om andre steder i det periodiske system? Lithium er grundstof nr. 3 og befinder sig i første hovedgruppe, alkalimetallerne (fra arabisk al-qaly – der betyder aske fra salturter). Neden under lithium finder vi grundstofferne natrium og kalium. Disse materialer findes i store mængder, som er let tilgængelige. Jordens skorpe har et indhold på 2,8 vægtprocent natrium, 2,1 vægtprocent kalium, men kun 0,002 vægtprocent lithium.
Forskere har i årevis arbejdet med natrium-ion- og kalium-ion-batterier, der fungerer efter samme principper som lithiumbatterier. Et problem er dog, at natrium- og kaliumioner er større end lithiumioner – kaliumioner er næsten dobbelt så store. Det er med til at gøre det svært at finde materialer, som let kan optage og afgive natrium- eller kaliumioner. Kalium-ion-batterier findes endnu kun i laboratorier; natrium-ion-batterier er derimod tæt på kommercialisering. Firmaer som britiske Faradion, der for nylig er overtaget af det store indiske konglomerat Reliance Industries, det californiske startup Natron Energy, kinesiske CATL, der er verdens største producent af lithium-ion-batterier til elbiler, og svenske Altris, der udspringer af forskning ved Uppsala Universitet, er nogle af de firmaer, der udvikler teknologien. Altris arbejder f.eks. med en variant af farvepigmentet berlinerblåt, der har den kemiske formel Fe4[Fe(CN)6]3 . Natriumvarianten heraf med formlen NaxFe[Fe(CN)6] med x>1,9 kaldes for berlinerhvidt. Altris markedsfører den under navnet Fennac. Firmaet oplyser, at de med dette elektrodemateriale kan opnå en energitæthed omkring 150 Wh/kg. Det mener de med lidt justering her og der kan øges til omkring 200 Wh/kg. Om det er muligt, må tiden så vise.
Batterier baseret på natrium-ioner eller kaliumioner kan aldrig opnå samme energitæthed som lithium-ion-batterier, hvor udviklingen bestemt heller ikke står stille. Natrium og kalium kan således få svært ved at konkurrere mod lithium, når det gælder anvendelser, hvor energitæthed er en afgørende parameter som ved elbiler. Ved andre anvendelser, hvor vægt eller størrelse ikke er helt så afgørende, f.eks. i elnettet, kan natrium dog med fordel måske bruges frem for lithium. Der er ingen risiko for at natrium-ion-batterier bryder i brand, de virker næsten lige så godt i kulde som i varme, og de er lette at håndtere i en cirkulær økonomi - det er ikke tilfældet med lithium-ion-batterier. Og så er natrium-ion-batterier potentielt billigere.
Natrium-ion-batterier blev i 1980’erne studeret med næsten samme ihærdighed som lithium-ion-batterier, men i 1990’erne faldt interessen, da lithiumion var en klar overlegen teknologi. Men nu er natrium er klar til igen at tage kampen op med sin lettere modstander, og et par skridt bagved er kalium ved at varme op.
