Hur utvecklas nästa generation batterier?
I medierna står det ofta om det snart kommer stora framsteg och fantastiska utvecklingar inom batteritekniken. Stämmer det?
Batteritekniken går frustrerande långsamt framåt på grund av de kemiska processerna som ingår och de utmaningar som finns kring kommersialiseringen. Det är fortfarande mycket tufft för även de mest lovande prototyperna att hitta vägen ut från forskningslaboratorierna till våra apparater. Forskningen förstår inte så mycket mer om grunderna för många av de processer som sker i ett batteri än vad Alessandro Volta gjorde på sin tid. Principen är densamma som på Voltas tid, ett batteri har två elektroder (en anod och en katod) doppade i en ledande lösning (elektrolyt) med en separator som styr flödet av den elektriska laddningen. De AA-batterier som vi idag laddar våra apparater med, är nästan oförändrade sedan 1980- talet.
Ett skäl till att elbilar inte finns överallt är att batterierna är dyra, vilket gör kostnaden mycket högre än en liknande bensindriven modell. Såvida bilen inte körs mycket, kompenseras inte de högre kostnaderna. På samma sätt har dagens batterier inte tillräckligt med energi per vikt eller volym för att driva passagerarflygplan. Det behövs fortfarande grundläggande genombrott för forskningen innan det blir verklighet.
De flesta innovatörer utvecklar fortfarande det uppladdningsbara litiumjonbatteriet. Det har begränsningar, så forskare försöker att förbättra batteritätheten och, ännu viktigare, batterisäkerheten. Litiumjonsbatterier anses fortfarande vara en av de lättaste och mest effektiva batterilösningarna. Men eftersom det bara har så mycket fysisk energitäthet finns det gränser för hur mycket laddning batteriet kan hålla. Det är också farligt ibland: om något går fel med separatorn och elektroderna kommer i kontakt med varandra börjar batteriet värmas upp. Flytande elektrolyter är mycket brandfarliga och får batterier att explodera.
Utvecklingsprocessen är komplex. Ändra ett element i utformningen och du kan få andra problem som brandfarlighet, sämre hållbarhet och laddningsbegränsningar.
En annan aspekt är produktdesign. Konsumenterna vill ha bekvämlighet och litiumjonbatterier ger den komforten. Elektroniktillverkare utformar därför sina kretsar till att fungera med litiumjonbatterier. Om de designar en produkt för att använda ett mer energieffektivt batteri, kan försäljningen sjunka därför att det specialiserade batteriet inte går att hitta i handeln och dessutom inte kan användas för att driva andra prylar.
Det finns också logistiska problem. Ta en titt på batterihyllan i din närbutik! Du ser dussintals olika storlekar och effektnivåer. Att byta kemi eller material för ett enda batteri kanske inte fungerar för nästa storlek och effektnivå.
Behoven finns i så många olika branscher och batterierna används till väldigt olika ändamål. Varför skulle fordonsindustrin finansiera utvecklingen av batterier inom medicinsk teknik? Nya batterimaterial måste testas under många år. När testet har avslutats kanske den tillverkaren inte finns kvar i branschen längre.
Mycket av medierapporteringen är grund. Företagen är hemlighetsfulla om sin forskning och talar främst med media när de ska ta in nytt kapital, och vill då gärna ge bilden av att de står nära ett genombrott. Tyvärr ställer inte heller journalisterna rätt frågor på detaljnivån, och lockelsen ligger mer i att skildra det stora genombrottet än att skriva att resultaten bara är försiktigt positiva jämfört med den låga nivå de började ifrån.
Batteriutveckling beror på betydande framsteg inom både kemi och produktionsteknik. Det finns massor av idéer men tricket är att förvandla laboratorieexperiment till något som kan produceras i stora volymer, är säkert att lagra och transportera, har en rimlig livslängd samt förmågan att tåla cykler av laddning och urladdning utan för stor risk för att explodera.
I en bransch som varit beroende av billiga krediter och hypecykeln, blir förstås utvecklingen mycket svårare när den inte lever upp till förväntningar som inte är anpassade till verkligheten. Det blir också svårare för kunder, konsumenter och politiker att avgöra vilken forskning som egentligen fungerar. Därför borde subventionerna ligga på resultaten, inte på tekniken i sig.
