Premium partners
categories

5 May 2017
Morgondagens batterier

Översvämningar, torka och andra extrema väderfenomen kommer bli vardagsmat för fler och fler i en nära förestående framtid om vi inte gör något drastiskt åt de höga utsläpp av växthusgaser som människans aktivitet här på jorden står för idag. Klimatmötet i Paris 2015 satte ett 2°C mål på pränt, och det är stora insatser som krävs på många plan i samhället för att vi skall lyckas hålla vad vi lovat våra framtida generationer.

En fullständig övergång till förnyelsebara energikällor ses som nödvändigt för att vi skall uppnå ett hållbart samhälle med de bekvämlighetsmått som vi har idag, men att förlita sig på förnyelsebara energitillgångar förutsätter att det finns sätt att lagra producerad elektricitet mellan produktion och användning. Dagens samhälle ställer höga krav på att el skall finnas tillgängligt dygnet runt och inte bara när solen skiner eller vinden blåser. Förutom den storskaliga elproduktionen så behövs även småskalig energilagring i form av batterier vilka används i alla de elektronikprylar och smarta gadgets som dagens uppkopplade samhälle förlitar sig på.

2020 beräknas var och en av oss gå omkring med mellan 3-5 uppkopplade elektronikprylar, vilka alla kräver någon form av batteri. Samtidigt sker en fortsatt befolkningsökning och en ökning av antalet människor som lyckligtvis lyckas ta sig ur fattigdom men på samma gång går in i ett ökat energiberoende. Dessa faktorer ger tillsammans ett signifikant ökat tryck på både energitillgångar och de naturresurser varifrån vi tillverkar till exempel våra elektronikprylar.

Litiumjonbatterier är idag de mest högteknologiska batterier som används kommersiellt i både småelektronik och elbilar. Men även om dessa batterier kan användas till att lagra förnyelsebar energi så är dess egna ekologiska fotavtryck långt ifrån acceptabla. Metallerna som elektroderna består av måste utvinnas, extraheras och processas vilket kräver enorma mängder både energi och färskvatten och gör på samma gång ofta ett mycket skadligt avtryck på den faktiska miljön där dessa mineraler utvinns.

Materialutvecklingen kommer att vara en viktig faktor för de tekniska lösningar som behövs för att utmana de prövningar vi står inför, med avsikt att säkra ett hållbart samhälle utan att göra avkall på hela den livsstil som vi idag har vant oss vid. Framtidens materialutveckling kommer dock att utmana den syn vi har på kända material och dess egenskaper genom att vi successivt förlänger vår kunskap till andra dimensioner. I och med nanoteknikens inträde har vi börjat lära oss om att andra lagar gäller för dessa dimensioner än på makronivå vilket medför att vi kommer att kunna skapa och specialanpassa material med specifika egenskaper som inte liknar något vi varit med om tidigare. Det som har accepterats som ett materials egenskaper tidigare har visats kunna ifrågasättas så till den grad att man pratat om att göra ett nytt kompletterande periodiskt system med indelning efter de egenskaper ämnen uppvisar på nanonivå.

I en forskargrupp på avdelningen för nanoteknologi och funktionella material, Ångströmlaboratoriet i Uppsala, har man fokus på att utveckla organiska batterier för en hållbar energilagring som kan möta vårt stora och ökande behov av elektronikprylar. De nya organiska materialen, som i framtiden kommer kunna utvinnas ur biomassa såsom biprodukter från skogsindustrin, kommer teoretiskt sett att kunna eldas upp efter att materialet är förbrukat utan att ge ett nettoutsläpp av koldioxid.

Arbetet går ut på att utveckla material som ger samma prestanda eller bättre jämfört med dagens litiumjonbatterier. Dessa material måste då kunna lagra en stor mängd energi per vikt och samtidigt uppvisa den stabilitet som krävs för att kunna ladda upp batteriet många gånger om. Det som behövs för att ett organiskt elektrodmaterial skall fungera är dels förmågan att transportera elektroner och dels förmågan att lagra energi, vilket görs genom kemiska förändringar i strukturen. Dessa egenskaper ges av olika funktionaliteter vilket medför att organisk energilagring är långt mer komplex än dess metallbaserade analoger. Det finns fortfarande många frågetecken kring hur materialen skall utformas optimalt och här kan nanoforskningen spela en stor roll, t.ex. avseende utformning av ytstruktur och porstorlek.

Från vad som började med algbatteriet, en enkel batteriprototyp som var snabbuppladdad men utan någon högre kapacitet för att visa möjligheten vi har att lagra energi med hjälp av naturliga material runt omkring oss, har forskargruppen nu kommit en bra bit på vägen mot att i framtiden kunna ge ett alternativ till de miljöskadliga metallbatterierna.

Läs mer om forskningen på förnyelsebara batterier som pågår i Maria Strømmes forskargrupp på Ångströmlaboratoriet i Uppsala:

Nystrom, G., Razaq, A., Strømme, M., Nyholm, L., & Mihranyan, A. (2009). Ultrafast all-polymer paper-based batteries. Nano Lett, 9(10), 3635-3639.

Emanuelsson, R., Huang, H., Gogoll, A., Strømme, M., & Sjödin, M. (2016). Enthalpic versus Entropic Contribution to the Quinone Formal Potential in a Polypyrrole-Based Conducting Redox Polymer. The Journal of Physical Chemistry C, 120(38), 21178-21183.

Åkerlund, L., Emanuelsson, R., Renault, S., Huang, H., Brandell, D., Strømme, M., Sjödin, M. (2017). The Proton Trap Technology – Towards High Potential Quinone Based Organic Energy Storage. Advanced Energy Materials. Accepted.

Writen By
Popular
Society
10 January 2017
A good price for the ‘One China’ policy?
Society
20 January 2017
Islamic rhetoric of power, morality and middle path (wasatiyya) on Al Jazeera
Society
3 September 2016
Covering Terrorism
Writen By
Popular
Society
10 January 2017
A good price for the ‘One China’ policy?
Society
20 January 2017
Islamic rhetoric of power, morality and middle path (wasatiyya) on Al Jazeera
Society
3 September 2016
Covering Terrorism
Related Articles