n MATERIALEKEMI den elektriske kontakt mellem elektroder og kredsløb kan blive ødelagt [17]. Jagten på koboltfrie materialer Det første kommercielle genopladelige batteri, som Sony lan- cerede, bestod som nævnt af en grafit anode og LiCoO 2 katode. Dog blev den høje pris, lave tilgængelighed og høje toksicitet af kobolt hurtigt et problem, hvorfor materialeforskere har arbejdet ihærdigt på at finde alternativer til LiCoO 2 . Dette har ført til udvikling af en række LiCoO 2 -lignende materialer, hvor en del af kobolten er udskiftet med andre metaller som nikkel og mangan, for eksempel LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 (tabel 1, side 13). Disse materialer har forholdsvis høje energidensiteter og god stabilitet. Desværre er det ikke lykkedes at slippe helt af med kobolt i disse materialer. Et kobolt-frit alternativ er LiFePO 4 , hvilket er et meget bil- ligt, stabilt og miljøvenligt materiale. Dog har den forholdsvis lave spænding, og dermed lave energitæthed, begrænset brugen af materialet, men på grund af de stigende Co-priser, spås Li- FePO 4 en lys fremtid. Udover disse materialer, arbejder forskere på at finde helt nye elektrodematerialer som anvender gængse overgangsmetaller, så som jern (Fe) og titanium (Ti), samt byggesten, for eksempel fosfat og silikat, som forefindes i store mængder i naturlige mineraler (figur 3, side 14) [3]. Fra litium til natrium Det er dog ikke kun kobolt i batterierne, der kan vise sig at blive et problem. Den stigende batteriproduktion øger fokus på pris og miljøet. Det udfordrer også brugen af litium (Li), da det er en relativt begrænset ressource (figur 3, side 14). Men hvad er alternativet? Her vendes blikket mod grundstof- fer som natrium (Na), magnesium (Mg), calcium (Ca) og aluminium (Al). Natrium har mange egenskaber tilfælles med litium og grundstoffet har en høj naturlig forekomst i vores natur, hvilket betyder, at prisen på natriumholdige råstoffer er meget lavere end for tilsvarende litiumforbindelser. Derfor er natrium en potentiel meget lovende kandidat som aktiv ion i fremtidens batterier. De åbenlyse udfordringer, som er forbundet med brugen af natrium, er den øgede ionstørrelse, hvilket besværliggør iontransport i bat- teriet, natriums vægt og det højere reduktionspotentiale i forhold til litium. Disse forskelle er blandt andre opsummeret i tabel 2 på forrige. Udfordringerne vil resultere i et tungere batteri med en lavere kapacitet. Kort sagt indskrænker kemien, hvor effektivt et batteri, der kan produceres, og Na-ion-batteriet kan derfor aldrig komme til at leve op til Li-ion-batteriet, når det gælder ydeevne. Men ønsket om lave priser og høj grad af bæredygtighed giver Na-ion-batteriet sin berettigelse og teknologien er i disse år ved at finde vej til det kommercielle marked [21]. Fremtidens batteriteknologier Hvor Li-ion-batteriet i dag benyttes til stort set alle anvendelser, der kræver et genopladeligt batteri, vil fremtiden sandsynligvis byde på en vifte af batteriteknologier, der er tilpasset til den enkelte anvendelses krav om ydeevne, levetid og pris. I frem- tidens batteriteknologier kommer bæredygtighed ufravigeligt til at spille en stor rolle både i forhold til, hvilke ressourcer der benyttes i batteriets komponenter og i forhold til, hvor effektivt og nemt batterierne kan genbruges. Udviklingen af fremtidens batteriteknologier kræver en stor global forskningsindsats, hvori der skal designes og fremstil- les nye funktionelle batterimaterialer, som efterfølgende skal undersøges i stor detalje for at optimere batteriernes spænding, energitæthed, kapacitet, levetid, bæredygtighed og ikke mindst deres sikkerhed. E-mail: Dorthe Bomholdt Ravnsbæk: dorthe@chem.au.dk Referencer 1. Tarascon, J.M. and M. Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 2001. 414 (6861): p. 359-367. 2. Energinet, Miljøredegørelse 2020 . 2020: https://energinet.dk/El/Gron-el/ Deklarationer. 3. Li, M., et al., 30 Years of Lithium-Ion Batteries. Advanced Materials, 2018. 30 (33): p. 1800561. 4. Vaalma, C., et al., A cost and resource analysis of sodium-ion batteries. Nature Reviews Materials, 2018. 3 (4): p. 18013. 5. MarketsandMarkets, Lithium-Ion Battery Anode Market by Materials (Active Anode Materials and Anode Binders), Battery Product (Cell and Battery Pack), End-Use (Automotive and Non-Automotive), and Region (Europe, North America, and Asia Pacific) - Global Forecast to 2026 . 2021. 6. Bobby. History of Batteries: A Timeline . 2014 [cited 2022 23 Februar]; Available from: https://www.upsbatterycenter.com/blog/history-batteries- timeline/. 7. Bellis, M. History and Timeline of the Battery . 2019 [cited 2022 22 Februar]; Available from: https://www.thoughtco.com/battery- timeline-1991340. 8. Nave, R. Lead-Acid Battery . [cited 2022 22 Februar]; Available from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/leadacid.html. 9. Alarco, J. and P. Talbot. The history and development of batteries . 2015 [cited 2022 22 Februar]; Available from: https://phys.org/news/2015-04- history-batteries.html. 10. Decker, F. Volta and the “pile” . 2005 [cited 2022 22 Februar]; Available from: https://knowledge.electrochem.org/encycl/art-v01-volta.htm. 11. Buchmann, I. When Was the Battery Invented? [cited 2022 23 Februar]; Available from: https://batteryuniversity.com/article/bu-101-when-was- the-battery-invented. 12. The Nobel Prize: M. Stanley Whittingham - Facts . 2019 [cited 2022 23 Februar]; Available from: https://www.nobelprize.org/prizes/ chemistry/2019/whittingham/facts/. 13. Liu, C., Z.G. Neale, and G. Cao, Understanding electrochemical potentials of cathode materials in rechargeable batteries. Materials Today, 2016. 19 (2): p. 109-123. 14. Sørensen, D.R., J.K. Mathiesen, and D.B. Ravnsbæk, Dynamic charge- discharge phase transitions in Li3V2(PO4)3 cathodes. Journal of Power Sources, 2018. 396 : p. 437-443. 15. Feng, K., et al., Silicon-Based Anodes for Lithium-Ion Batteries: From Fundamentals to Practical Applications. Small, 2018. 14 (8): p. 1702737. 16. Hu, X., et al., Battery Lifetime Prognostics. Joule, 2020. 4 (2): p. 310-346. 17. Dubarry, M., C. Truchot, and B.Y. Liaw, Synthesize battery degradation modes via a diagnostic and prognostic model. Journal of Power Sources, 2012. 219 : p. 204-216. 18. ACS, The Periodic Table’s Endangered Elements . 19. Palomares, V., et al., Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems. Energy & Environmental Science, 2012. 5 (3): p. 5884-5901. 20. Yabuuchi, N., et al., Research Development on Sodium-Ion Batteries. Chemical Reviews, 2014. 114 (23): p. 11636-11682. 21. Muñoz-Márquez, M.Á., et al., Structure, Composition, Transport Properties, and Electrochemical Performance of the Electrode-Electrolyte Interphase in Non-Aqueous Na-Ion Batteries. Advanced Materials Interfaces: p. 2101773. 16 Dansk Kemi, 103, nr. 2, 2022 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her