Verden trenger flere, raskere og billigere batterier. Litium er et av grunnstoffene som er viktige for verdens batteriproduksjon, men det er en begrenset ressurs.
Derfor søker batteriforskere etter andre typer batterier. Helst uten giftige og farlige stoffer.
Amalie Skurtveit forsker på natrium-batterier ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.
– Jeg så at det var noe rart i prøvene. Det kunne ikke være snakk om det materialet vi trodde det var, og da ble jeg nysgjerrig på hva det kunne være, sier forsker Amalie Skurtveit.(Foto: Elina Melteig)
I slike batterier er grunnstoffet natrium energibærer i stedet for litium.
– Neste generasjon av batterier likner på tradisjonelle litiumbatterier i oppbygning, men de inneholder natrium i stedet, forklarer Skurtveit.
Denne batteritypen er litt større, og litt tyngre, fordi natriumionene er større og tyngre enn litiumionene.
Det gjør at de ikke er så godt egnet i smarttelefoner, men de kan for eksempel være en god løsning som energilagring for solcellepaneler eller vindkraftanlegg.
Hun fant noe rart i prøvene
– Dette var egentlig et sideprosjekt. Grunnen til at vi gjorde eksperimentet, var at natrium tilsynelatende kan lade raskere enn litium i enkelte materialer. Vi skulle bare sjekke en kandidat for et slikt materiale, forklarer hun.
Ved å sende en røntgenstråle gjennom et batteri av materialet antimonselenid under opplading og utladning, sjekket hun om dette var verdt å jobbe videre med. Da så hun noe annet:
– Jeg så at det var noe rart i prøvene. Det kunne ikke være snakk om det materialet vi trodde det var, og da ble jeg nysgjerrig på hva det kunne være, forklarer hun.
De laget et helt nytt materiale
Hun klarte ikke legge fra seg tanken på det uforklarte materialet. Til slutt fikk hun overbevist veilederen om at det var verdt å gjøre et forsøk på å forklare resultatene.
– Jeg tok kontakt med noen som jobber med modellering. Vi prøvde å lage en teoretisk modell som kunne forklare det vi så i prøven, sier Skurtveit.
De fant noe som matchet ganske bra, men det var først da de snakket med Helmer Fjellvåg, en ekspert på uorganisk materiale, at de klarte å finne svaret.
– Det materialet vi har laget finnes ikke fra før, noe sted. Det er et syntetisk materiale, en fase, som bare oppstår når materialet lades opp. Derfor finnes det ikke naturlig.
Forskerne på batterilaboratoriet har tre lag med hansker når de jobber inne i en boks med lukket atmosfære. Mange av materialene er giftige eller ømfintlige for oksygen.(Foto: Elina Melteig)
Nytt batteri lades 30 ganger raskere
Skurtveit var fornøyd med å ha løst gåten. Materialet de har funnet kalles natrium-antimonideselenide. For å være sikker testet hun materialet på batterilaboratoriet også. Det var da hun skjønte at hun hadde funnet noe viktig.
Annonse
– Da så jeg at vi har et batteri som kan lades opp på bare tolv minutter, sier hun.
Til sammenlikning lades de andre batteriene til Skurtveit på batterilaben på seks timer. Det betyr at det nye materialet kan lades 30 ganger raskere.
– Dette er nær det gylne standarden i batteriteknologi. Det skal ta like kort tid å fullade bilen som det skal ta å fylle tanken, forklarer hun.
Det er nesten ikke oksygen inne i batterilaboratoriet. Likevel dekkes natriummetallet av et tynt lag med oksygen. Skurtveit bruker en tannbørste for å pusse av oksygenet før hun kjevler natriumklumpen til en flatpakket pannekake som passer inne i batteriet.(Foto Elina Melteig)
Skurtveit forteller at kommersielle selskaper lanserer nye natrium-batterier i disse dager.
– Vårt batteri har en energitetthet på 200-300 Wattimer per kilogram. Det ligger på omtrent det samme som dagens litiumbatterier. Et av de nyeste kommersielle natriumbatteriene har en energitetthet på 175 Watt-timer per kilogram.
Dermed har hennes natriumbatteri nesten dobbelt så høy energitetthet som kommersielle natriumbatterier.
Måten atomene er pakket på er avgjørende
Skurtveit forklarer at det er måten atomene i materialet er stablet på, som er avgjørende. På fagspråket er det snakk om ulike faser. Det betyr at det er de samme atomene. De er bare stokket om.
Omstokkingen kan gi materialet nye egenskaper, akkurat som i et kortspill: Noen kan få en god hånd i ett spill. Kortene stokkes, og selv om spillerne fremdeles spiller poker, er det likevel ikke det samme spillet.
– Denne fasen, eller dette materialet, kan bare eksistere når det lades opp, forklarer Skurtveit.
Da pakkes atomene på en bestemt måte som gjør at natriumatomene pakkes mye tettere sammen enn i andre materialer som brukes i dagens natriumbatterier. Det gjør at energitettheten er så høy.
Som is som smelter og så fryser igjen
Annonse
– Det er natrium som er energibæreren i dette materialet, mens antimon er arbeidshesten som lades opp og ut. Selenidet er nøkkelen til å holde det stabilt, sier Skurtveit.
Når materialet lades ut, forsvinner natriumionene ut av anoden som er den negative siden av batteriet.
Anoden som består av en tynn film av materialet som er inne i batteriet.(Foto: Elina Melteig)
– Når batteriet lades ut, kollapser det materialet vi har funnet. Det gjør heldigvis ikke noe, for når batteriet lades opp igjen, dannes strukturen opp på nytt. Det er som is som blir til vann og fryser til is igjen, forklarer hun.
Ett problem: Materialet er giftig
Skurtveit er svært fornøyd med resultatene, men understreker at materialet ikke er klart for kommersiell virksomhet riktig ennå.
– Dette materialet inneholder grunnstoffet antimon, som dessverre er giftig, forklarer hun. Derfor skal vi prøve å se om vi kan klare å gjenskape den samme strukturen med andre grunnstoffer som byggesteiner.
Hun håper at strukturen kan gjenskapes med mindre giftige stoffer.
– Verden kommer nok ikke til å kutte ut litiumbatterier, men håpet er at vi kan lage nye typer batterier som kan dempe etterspørselen etter litium, sier hun.
Spennende materiale:
Skurtveits batterimateriale er plukket ut av Den europeiske synkrotronen (ESRF) som et av de mest spennedne temaene som er studert i ved ESRF i 2025.
