Verdensrekord i hurtiglading av batterier

Mange lovpriser elektriske biler, men løsningene er lite energiøkonomiske. Bilene bruker store deler av energien sin til å frakte batteriene. Batteriene i de sagnomsuste Teslaene veier over et halvt tonn. Det er en fjerdedel av hele bilvekten.
   Elektriske busser har også begynt å gjøre sitt inntog. For å spare mest mulig batterivekt ser forskere for seg at disse bussene bare trenger batterikapasitet til å kjøre fra en holdeplass til neste.
   – På hver stopp kan batteriene lades hurtig opp igjen, forteller professor Ola Nilsen på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Sammen med postdoktor Knut Bjarne Gandrud har Nilsen funnet frem til en flunkende ny løsning som gjør det mulig å lade opp batterier tusen ganger raskere enn i dag.
   I første runde ser de for seg at batteriene deres kan brukes i fremtidens moderne betalingskort, som blir som en liten datamaskin.
   – Batteriet kan lades opp på halvannet sekund, mens kortet leses i betalingsterminalen, uten at forbrukeren merker noe, forteller Nilsen.

Batteriets indre liv
For å skjønne hva forskerne har gjort, må du vite hvordan et batteri fungerer. Et batteri består av tre deler, og du kan likså godt lære deg de vanskelige ordene med én gang: katode, elektrolytt og anode.
   Strømmen skapes når elektroner forflytter seg fra anoden til katoden. Samtidig vil det gå en strøm av ioner, som er positivt ladete atomer, direkte fra anoden til katoden via elektrolytten.
Hele poenget med elektrolytten er å kunne skille anoden fra katoden. Uten elektrolytten ville elektronene ha frest rett fra anoden til katoden uten at noen fikk glede av batteriet. Kluet er å lage en elektrolytt som er dårlig til å lede elektroner, men samtidig god til å lede ioner. Når batteriet lades opp, transporteres ioner den omvendte veien, altså fra katoden til anoden.

Tryggere med fast stoff
I dag lages de tre batteridelene av flytende væsker. Det kan ha sine svakheter. De fleste væskebatterier kan lades opp bare 500 til 1000 ganger før effekten forringes.
   – Med fast stoff vil levetiden kunne bli hundre ganger lengre.
   Forskerne jobber nå med å bytte ut flytende elektrolytt med fast stoff.
   – Uheldigvis er ikke elektrolytter i fast form like gode til å lede ioner.

Nanotynn skillevegg
UiO-forskerne har nå funnet frem til en ny type elektrolytt i fast form som bare er fem til femti nanometer bred. Femti nanometer er så lite som en tjuetusendels millimeter. Det er tusen ganger smalere enn i dagens elektrolytter. Selv om stoffet er dårlig til å lede ioner, kan forskeren tillate dette fordi den avstanden ionene skal passere, er svært kort.
   Men samtidig er det viktig at avstanden ikke blir altfor kort. Hvis anoden og katoden kommer i kontakt med hverandre, kortsluttes systemet. Da blir det så bråvarmt at batteriet kan brenne.
   Så lenge elektrolytten er laget av fast stoff, er det ikke noe problem. Fast stoff har dessuten enda en utmerket fordel: Overflaten kan lages så ru som mulig. Da kan enda flere ioner ledes igjennom batteriet.

Verdensrekord
Den store nyheten denne gang er ikke elektrolytten, men en helt ny type katode.
   – Vi har satt verdensrekord. Vi har laget verdens raskeste katode. Da blir batteriet tusen ganger raskere enn med dagens katoder.
   Selv om materialet er trygt å bruke, er det ikke akkurat regnet som verdens beste.
Knut Bjarne Gandrud har vært kjerringa strømmen. Han har valgt et såkalt amorft materiale som andre forskere har skydd som pesten. Amorfe materialer har, i motsetning til krystalliserte stoffer, ingen strukturer.
   Ulempene er doble. Materialet er tregt og leder elektroner dårlig. Med andre ord et meget dårlig valg til katodebruk. Likevel har Gandrud nå vist at dette materialet kan revolusjonere batterier over hele verden.
   Hvis katoden er tykkere enn 50 nanometer, viser deg seg at batteriet ikke er noe tess. Den store overraskelsen er at materialet i katoden skifter elektriske egenskaper når den blir tynnere enn 50 nanometer.
   Batteriet blir oppsiktsvekkende bra når katoden er mellom 12 og 24 nanometer. Et hårstrå er 500 ganger bredere. Disse supertynne materialene kalles for tynnfilm og har i mange år vært spesialet til Ola Nilsen og Knut Bjarne Gandrud.
   Selv om de to forskerne har funnet frem til en elektrolytt i fast form, blir den nye katoden testet i batterier med væskebasert elektrolytt. Denne elektrolytten er så gjennomtestet at forskerne får en klarere formening om hvor bra katoden er.
   De to forskerne har foreløpig bare testet katoder med flat overflate.
   – Neste skritt er å folde materialet sammen så mye som mulig for å maksimere størrelsen på overflaten. Da kan katoden bli enda mer effektiv, forteller Ola Nilsen.

Kilde: Apollon