Själva karossen som batteri? I framtiden blir det möjligt. Foto: Stillbild Youtube

Framtidens batterier är viktlösa och osynliga

Under motorhuven på din bil kan du hitta ett batteri. I en elbil hittar du massor av batterier. Men nu pågår det en renässans inom batteriforskningen som syftar till att bygga in energilagringen i själva de apparater och fordon den ger kraft till.

Elon Musk gav många löften under Teslas batteridag i september förra året. Snart, sade han, skulle företaget ha bilar som körs på batterier med anoder av rent kisel för att öka deras prestanda och minska mängden kobolt i katoderna för att sänka priset. Dessa batteripack kommer att integreras i chassit så att det ger mekaniskt stöd utöver energiförsörjning, en design som Musk hävdade kommer att minska bilens vikt med 10 procent och förbättra dess körsträcka med ännu mer. Andra fördelar han nämnde är att karossen kommer att bli styvare och att limmet mellan de olika lagren i batterierna kommer att vara flamdämpande. Dessutom får man mer utrymme i bilen, alternativt kan man göra mindre bilar med bevarat kupé- och lastutrymme. Han hyllade Teslas strukturella batteri som en ”revolution” inom ingenjörskonsten—men för vissa batteriforskare i framkanten av utvecklingen kändes Musks framtid som det förflutna.

”Han gör huvudsakligen något som vi gjorde för 10 år sedan”, säger Emile Greenhalgh, en materialforskare vid Imperial College London och ordförande för Emerging Technologies inom Royal Academy of Engineering. Han är en av världens ledande experter på strukturella batterier, en strategi för energilagring som raderar ut gränsen mellan batteriet och produkten det driver. ”Vad vi gör är att gå utöver vad Elon Musk talar om”, säger Greenhalgh. ”Det finns inga integrerade batterier. Själva produkten är energilagringsanordningen.”

Idag står batterier för en betydande del av storleken och vikten för de flesta elektronikprodukter. En smartmobil är mestadels ett litium-jonbatteri (Li-jon) med några processorer byggda runt det. Drönare begränsas i storlek av de batterier de kan bära. Och ungefär en tredjedel av vikten av en elbil utgörs av dess batteripack. Ett sätt att ta itu med denna fråga är genom att bygga konventionella batterier i själva strukturen av bilen, som Tesla planerar att göra. I stället för att använda golvet i bilen för att rymma batteripaketet, blir batteripaketet golvet.

Men för Greenhalgh och hans medarbetare är det en mer lovande strategi att skrota batteriet och använda fordonets kaross för energilagring istället. Till skillnad från ett konventionellt batteripaket inbäddat i chassit är dessa strukturella batterier osynliga. Den elektriska lagringen sker i tunna skikt av kompositmaterial som utgör bilens struktur. På sätt och vis är de viktlösa, eftersom bilen är batteriet. ”Det innebär att materialet fyller två syften samtidigt” säger Greenhalgh. Detta nya sätt att tänka gällande design av elektriska fordon kan ge enorma prestandavinster och förbättra säkerheten eftersom det inte kommer att finnas tusentals energitäta och brandfarliga battericeller packade i bilen.

Ett litium-jonbatteri inuti en telefon – eller elektriskt fordon – har fyra huvudkomponenter: katoden, anoden, elektrolyten och separatorn. När ett batteri laddas ur flödar litiumjoner genom elektrolyten från den negativa anoden till den positiva katoden, som åtskiljs av en genomsläpplig separator för att förhindra en kortslutning. I ett konventionellt batteri är dessa komponenter antingen staplade som en bröllopstårta eller lindade runt varandra som en rulltårta för att packa in så mycket energi som möjligt i en liten volym. Men i strukturella batterier måste de konfigureras om så att batterierna kan formas till oregelbundna former och tåla fysisk belastning. Ett strukturellt batteri ser inte ut som en kub eller en cylinder; det ser ut som en flygplansvinge, bilkaross, eller ett mobiltelefonskal.

De första strukturella batterierna, som utvecklades av den amerikanska militären i mitten av 2000-talet, använde kolfiber till cellens elektroder. Kolfiber är ett lätt, starkt material som ofta används för att konstruera flygplanskomponenter eller sportbilar. Det är också bra på att lagra litiumjoner, vilket gör det till ett bra substitut för andra kolbaserade material, som grafit, som typiskt används som anoder i Li-jon-batterier. Men i ett strukturellt batteri används också kolfiber infuserat med reaktiva material som järnfosfat som katod eftersom allt måste vara bärande. Ett tunt lager av glasfiber separerar de två elektroderna, och mellan dessa lager finns elektrolyten. Det hela är bara några tusendels millimeter tjockt och kan skäras till önskad form.

Leif Asp, materialforskare vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, har gått i bräschen för strukturell batteriforskning under det senaste decenniet. År 2010 samarbetade Asp, Greenhalgh och ett team av europeiska forskare på Storage, ett projekt som syftade till att bygga strukturella batterier och integrera dem i en prototyphybrid för Volvo. ”På den tiden trodde jag inte att det skulle ha någon större inverkan på samhället, men när vi gick vidare slog det mig att detta kunde vara en mycket användbar idé”, säger Asp, som beskriver konventionella batterier som ”strukturella parasiter”. Han säger att den största fördelen med strukturella batterier är att de minskar mängden energi ett elfordon behöver för att köra samma avstånd, alternativt att det kan få en längre räckvidd. ”Vi måste fokusera på energieffektivitet”, säger Asp. I en värld där det mesta av elen fortfarande produceras med fossila bränslen räknas varje elektron i kampen mot klimatförändringarna.

Under det treåriga projektet integrerade Storage-teamet framgångsrikt kommersiella litium-jonbatterier i en motorkåpa, en passiv komponent som reglerar luftflödet runt motorn. Det var inte bilens huvudbatteri, utan ett mindre sekundärpaket som levererade el till luftkonditionering, stereo och lyse när motorn tillfälligt stängdes av vid ett stoppljus. Detta var det första beviset på att konceptet för ett strukturellt batteri som integrerades i en fungerande bil och var i huvudsak en småskalig version av vad Tesla nu försöker uppnå.

Men att bygga in ett gäng konventionella Li-jonbatterier i lager i karossen på en bil är inte lika effektivt som att göra bilkarossen till ett eget batteri. Under Storage-samarbetet utvecklade Asp och Greenhalgh också en strukturell superkondensator som användes som bagagelucka. En superkondensator liknar ett batteri, men lagrar energi som elektrostatisk laddning, snarare än en kemisk reaktion. Den som gjordes för Volvo bestod av två lager kolfiber infuserade med järnoxid och magnesiumoxid, åtskilda av ett isolerande skikt. Hela paketet blev sedan insvept i laminat och gjöts till formen av en baklucka.

Superkondensatorer innehåller inte alls lika mycket energi som ett batteri, men de är bra på att snabbt leverera små mängder elektrisk laddning. Greenhalgh säger att de också är lättare att arbeta med och var en nödvändig språngbräda mot att åstadkomma samma sak med ett batteri. Volvon var ett konceptbevis på att strukturell energilagring var möjligt i ett elfordon, och framgången med Storage-projektet genererade en hel del hype runt strukturella batterier. Men trots denna entusiasm tog det några år att få mer finansiering från Europeiska kommissionen för att utveckla tekniken till nästa nivå. ”Detta är en mycket utmanande teknik och något som inte kommer att lösas med att några miljoner pund läggs på det”, säger Greenhalgh om finansieringssvårigheterna. ”Vi fick mycket mer finansiering, och nu börjar det verkligen rulla på.”

I somras avslutade, Asp, Greenhalgh, och ett team av europeiska forskare ett treårigt forskningsprojekt som heter Sorcerer som hade som mål att utveckla strukturella litium-jonbatterier för användning i kommersiella flygplan. Luftfarten är utan tvekan den mest intressanta marknaden för strukturell energilagring. Kommersiella flygplan producerar en hel del utsläpp, men elektrifierande passagerarflygplan är en stor teknisk utmaning eftersom de kräver så mycket energi. Jetbränsle är inte bra för miljön, men det är ungefär 30 gånger energitätare än marknadsledande kommersiella litium-jonbatterier. I ett typiskt passagerarflygplan med 150 platser betyder det att man skulle behöva ungefär 1 ton batterier per passagerare. Om man försökte elektrifiera ett sådant jetplan med befintliga batterier skulle planet aldrig kunna lyfta.

Etablerade flygföretag som Airbus och startups som Zunum har arbetat med elektrifierande passagerarflygplan i flera år. Men även om de blir framgångsrika så innebär att packa ett plan fullt av konventionella batterier stora säkerhetsrisker. En kortslutning i ett stort batteripaket kan orsaka en katastrofal brand eller en explosion. ”Flygsektorn är mycket konservativ, och de är oroliga över att packa flygplan med dessa riktigt kraftfulla batterier”, säger Greenhalgh. Nya batterilösningar, inklusive fasta elektrolyter, kan minska risken, men att uppfylla de stora energikraven för ett passagerarflygplan är fortfarande en komplicerad utmaning som skulle kunna lösas med strukturella batterier.

Som en del av Sorcerer-projektet skapade Asp och hans kollegor strukturella batterier tillverkade av tunna lager av kolfiber som skulle kunna användas för att bygga delar av en flygplanskropp eller vingar. De experimentella batterier som Sorcerer-teamet utvecklade har avsevärt förbättrade mekaniska egenskaper och energitäthet jämfört med de batterier de producerade under lagringsinitiativet ett decennium tidigare. ”Nu kan vi göra material som har minst 20 till 30 procent av både energilagringskapaciteten och den mekaniska hållfastheten hos de system vi vill ersätta, säger Asp. ”Det är enorma framsteg.”

Alla är dock inte lika optimistiska om tidsramen för praktiska tillämpningar. Adrian Mouritz, vid RMIT University i Mebourne tror att det kan ta flera decennier. Hans forskningsgrupp jobbar på en liknande lösning som Asps, men enklare och med högre mekanisk hållfasthet. Han tror att initiala användningsområden kommer att bli lyxbilar och inom Formel 1. En av nackdelarna som har påvisats gäller vid mindre kollisioner, där ett byte av en ”karosseridel” kan bli både dyr och komplicerad.

Men tekniska utmaningar är bara halva problemet för att få strukturella batterier ut ur labbet och in i den verkliga världen. Både fordons- och flygindustrin är hårt reglerad, och tillverkarna har ofta små marginaler. Det innebär att införandet av nya material i bilar och flygplan kräver dels att man kan bevisa säkerheten för tillsynsmyndigheterna, dels att man kan uppvisa överlägsna prestanda för tillverkarna.

När ett strukturellt batteri laddas och urladdas rör sig litiumjoner in och ut ur kolfiberkatoderna, något som ändrar deras form och mekaniska egenskaper. Det är viktigt för tillverkare och tillsynsmyndigheter att kunna förutsäga exakt hur dessa strukturella batterier kommer att reagera när de används och hur det påverkar prestandan hos de fordon de driver. För detta ändamål bygger Greenhalgh och Asp matematiska modeller som kommer att visa exakt hur strukturen på fordon byggda från dessa batterier ändras under användning. Asp säger att det förmodligen kommer att ta mer än ett decennium innan strukturella batterier används i fordon på grund av deras betydande energibehov och behovet att uppfylla alla standarder och regelverk. Innan det händer, förutspår han, kommer de i stället att bli vardagsmat i hemelektronik.

Jie Xiao, chefsforskare och ledare för arbetsgruppen Batteries & Materials System vid Pacific Northwest National Laboratory, PNNL, håller med. Hon tycker att ett särskilt lovande och ofta förbisett användningsområde är inom mikroelektronik. Detta är enheter som lätt ryms på en fingertopp och är särskilt användbara för medicinska implantat. Men först måste det finnas ett sätt att driva dem.

”Strukturella batterier är till stor hjälp för mikroelektronik, eftersom volymen är mycket begränsad”, säger Xiao. Även om det är möjligt att skala ner konventionella batterier till storleken av ett riskorn, tar dessa celler tar fortfarande upp värdefullt utrymme i mikroelektronik. Men strukturella batterier tar inte upp mer utrymme än själva enheten. På PNNL har Xiao och hennes kollegor studerat några av de grundläggande frågorna med utformningen av mikrobatterior, som hur man upprätthåller anpassningen mellan elektroder när ett strukturellt batteri är böjt eller vridet. ”Ur designsynpunkt är det mycket viktigt att dina anoder och katoder är mittemot varandra”, säger Xiao. ”Så även om vi kan dra nytta av tomrum deltar inte dessa elektroder i den kemiska reaktionen om de är rätt positionerade. Så detta begränsar konstruktionen av oregelbundet formade strukturella batterier.”

Xiao och hennes team har arbetat med flera nischade vetenskapliga applikationer för mikrostrukturella batterier, som injicerbara spårningstaggar för lax och fladdermöss. Men hon säger att det fortfarande kommer att ta ett tag innan de finns i ny massproducerad teknik som till exempel elektronisk hud för proteser. Under tiden kan dock strukturella batterier vara en lösning för energihungriga robotar. I ett laboratorium på Ann Arbor campus vid University of Michigan övervakar kemisten och kemiingenjören Nicholas Kotov en samling av små biomimetiska robotar han utvecklat tillsammans med sina doktorander. ”Organismer fördelar sin energilagring över hela kroppen så att de har dubbla eller tredubbla funktioner”, säger Kotov. ”Fett är ett bra exempel. Det ger massor av energilagring. Frågan är: Hur replikerar vi det?”

Teamets mål är att skapa maskiner som efterliknar djur, så de behöver en kraftkälla som kan integreras med deras robotskelett, ungefär som fett och muskler hos djur. Några av deras senaste skapelser inkluderar robotskorpioner, spindlar, myror och larver som kryper runt på golvet. Alla drivs av ett unikt strukturellt batteri som är integrerat med deras rörliga delar. Batteriet sitter på baksidan av roboten som ett silverskal, och det både ger energi och skyddar robotens mekaniska innanmäte. Man tar inspiration från naturen för att förbättra det onaturliga.

Till skillnad från den sandwichkonstruktion av kolfiber och litium-jonlager som utvecklas av Asp och Greenhalgh, har Kotov och hans studenter skapat ett strukturellt batteri baserat på zink-luft för sina robotar. En sådan cellkemi kan lagra mycket mer energi än konventionella Li-jonbatterier. De består av en zinkanod, en kolvävskatod och en halvstyv elektrolyt tillverkad av polymerbaserade nanofibrer som har framställts för att efterlikna brosk. Energibärarna i denna typ av batteri är hydroxidjoner som produceras när syre från luften interagerar med zinken.

Medan strukturella batterier för fordon är mycket rigida så är cellen som utvecklats av Kotovs team tänkt att vara böjlig för att klara av robotarnas rörelser. De är också otroligt energitäta. Som Kotov och hans team beskriver i en rapport som publicerades tidigare i år har deras strukturella batterier 72 gånger energikapaciteten hos ett konventionellt litium-jonbatteri av samma volym. För nuvarande används deras batterier för att driva leksaksrobotar och små drönare som en demonstration av konceptet. Men Kotov säger att han förväntar sig att de kommer att användas i medelstora robotar samt större hobbydrönare i en inte så avlägsen framtid. ”Drönare och medelstora robotar måste få nya lösningar för energilagring”, säger Kotov. ”Jag kan garantera er att strukturella batterier kommer att vara en del av det.”

Batteriet har alltid varit en extra komponent, en begränsande faktor och en parasit. Snart försvinner det framför våra ögon, smälter in i strukturen av våra elektrifierade produkter. I framtiden kommer allt att vara ett batteri, och fristående energilagring kommer att verka lika pittoreskt som fasta telefoner och bärbara CD-spelare.

Dela artikeln

Materialet är upphovsrättsskyddat. Du har tillstånd att citera fritt ur artiklarna förutsatt att källa (www.nyatider.nu) anges. Foton får inte återanvändas utan Nya Tiders tillstånd.

Filip.Johansson@nyatider.nu

Relaterat

Den svenska elmarknaden hotas av vindkraftens utbyggnad

Den svenska elmarknaden hotas av vindkraftens utbyggnad

🟠 Den planerade expansionen av elkonsumtionen i Sverige kräver en omfattande ökning av stabil och tillförlitlig elproduktion. Den snabba utvecklingen av elproduktion med vindkraft som sker i Sverige, manar till eftertanke. Stora vindkraftparker med krav på att kunna anslutas gratis till stamnätet och höjda subventioner innebär höga extrakostnader för konsumenterna. Den intermittenta produktionen ställer också till stora problem i det svenska kraftnätet som skall distribuera elen till konsumenterna. Vindkraftslobbyn vill ansluta gratis, och det blir konsumenterna som får betala.

Ej redaktionellt material

Håll god ton och ett vårdat språk i kommentarerna. Olagligt innehåll är så klart förbjudet och kommer att resultera i avstängning från vårt kommentarsfält.

Om du har blivit godkänd för att lägga upp kommentarer utan förhandsgranskning från tidningens sida är det du själv som är ansvarig för innehållet. Det innebär att Nya Tider kan tvingas att medverka vid brottsutredning vid ett eventuellt åtal.

För förhandsmodererade kommentarer ber vi om tålamod. Vi går löpande igenom kommentarer men det kan beroende på tid på dygnet dröja flera timmar innan vi hinner titta på den.

Vi förbehåller oss rätten att radera kommentarer som innebär förtal, är kränkande, innehåller grovt språk eller helt enkelt är irrelevanta.

Tänk på att du är juridiskt
ansvarig för dina kommentarer

Läs även:

Vetenskapliga Nobelpris i klimatkampens tecken

Vetenskapliga Nobelpris i klimatkampens tecken

🟠 Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann och Giorgio Parisi delar på fysikpriset för sitt arbete med komplexa system – bland annat för att kunna modellera jordens klimat och den globala uppvärmningen. Samtidigt delar David Julius och Ardem Patapoutian medicinpriset för att ha identifierat receptorer som gör det möjligt för kroppens celler att känna temperatur och beröring. Kemipriset går till två forskare som utvecklat tekniker för att påskynda och kontrollera kemiska reaktioner. Benjamin List och David MacMillan delar priset för att ha utvecklat billiga, miljövänliga organiska katalysatorer.

Nyhetsdygnet

Runmästarens hemliga regler och dolda budskap

🟠 Runböcker finns det många av, men i Runkalendern tar Magnus Stenlund ett nytt grepp om det fornnordiska alfabetet. Han driver tesen att en runmästare redan på bronsåldern var i kontakt med Medelhavscivilisationerna, kanske de Joniska öarna, och med stor noggrannhet och enligt förutbestämda regler skapade dessa runor. De är långt mer än skrivtecken, utan berättar också mycket om de gudar och andra väsen som de symboliserar, ordnade i en vacker symmetri som på ett schackbräde.

Personlig analys av ett Sverige i kris

🟠 Professor Karl-Olov Arnstberg har utkommit med boken Godhetstyranniet, där han på ett nyktert och pedagogiskt sätt analyserar de dogmer som styr dagens samhälle, och hur ”de goda” rättfärdigar sig själva och det skräckvälde de påtvingar sin omgivning. Underrubriken lyder ”Om makt och vanmakt i Sveriges offentlighet”.

Jihadistarmén landstiger i Göteborg

🟠 Recension av böckerna Perfekt storm och Landet som ingen ägde av Arne Weinz Många uppskattar romaner med textlig lättillgänglighet inklusive eventuellt förekommande undertoner, psykologiska dimensioner och mångfacetterade orsakssamband. Alla författare har inte förmågan att skriva med dessa kvaliteter men det har Arne Weinz. När jag började läsa Perfekt storm visste jag inte särskilt mycket om författaren men blev glatt överraskad och imponerad.

”Spermageddon”: Kommer västvärldens människor att kunna fortplanta sig år 2050? – Hormonstörande ämnen pekas ut som ansvariga för drastisk nedgång i spermie- och äggkvalitet

🟠 För några år sedan kom en chockerande rapport om att spermiekvaliteten hos västerländska män sjunkit med nästan 60 procent mellan 1973 och 2011. Även testosteronnivåerna har visat sig vara minskande. Nu har forskaren bakom studien, doktor Shanna Swan, gett ut en bok om orsakerna, och pekar ut de hormonstörande ämnen som finns i allas vår vardag. Medan den uppmärksammats av internationella medier är det helt tyst om den i Sverige.

Mysteriet i Mörtnäs

🟠 Fredagen den fjärde mars 1932 hittades Adolf Fritiof Zetterberg och hans maka, Hilma Ulrika Zetterberg, samt fruns syster, Anna Kristina Hedström, ihjälslagna i Mörtnäsvillan i Värmdö kommun. Det råder än idag oklarheter om vad motivet till Mörtnäsmorden kan ha varit, olika uppgifter motsäger varandra och när utredningen återupptogs 1951 ändrades dessutom redogörelser påtagligt. Detta olösta trippelmord är därför ett av det mest gåtfulla i svensk kriminalhistoria.

Reuterholms fall

🟠 Hösten 1794 hade den Armfeltska affären avslutats och domarna fallit. Dock kom Gustaf Adolf Reuterholm att bli denna affärs stora förlorare och hans sista tid vid makten var följaktligen inte lätt. Bakom kulisserna bidade dessutom Gustaf IV Adolf sin tid.

Senaste numret

Nya Tider är den enda papperstidningen som bemöter systempressens lögner i deras eget format: på papper. Sedan grundandet 2012 granskar Nya Tider den politiska korrektheten och berättar hur verkligheten ser ut bakom systemmedias tillrättalagda version. Från april 2017 utkommer Nya Tider även med en nätupplaga varje vecka.
Vávra Suk
Chefredaktör

123 037 97 35

Kundtjänst
Tel: 08-410 677 70
kund[snabel-a]nyatider.nu
Box 454, 191 24 Sollentuna

Redaktion
redaktion[snabel-a]nyatider.nu
Box 454, 191 24 Sollentuna

Artiklar (RSS)
© 2021 Nya Tider. Med ensamrätt. Nya Tider ges ut av AlternaMedia AB.

Ansvarig utgivare: Vávra Suk. Bankgiro: 108-0357.

Genom att fortsätta surfa vidare på hemsidan godkänner du vår integritetspolicy.