En stor del av vårt moderna samhälle präglas av laddningsbar teknologi. Du bär säkert med dig din mobiltelefon hela dagen och använder den för att skriva meddelanden, prata med någon, lyssna på musik, hålla dig uppdaterad… Många av oss har också en bärbar dator så att vi kan jobba eller plugga vart vi än är. Med tanke på klimathotet kanske vi väljer att använda nya teknologier såsom elbilar och elcyklar, eller att välja sol- eller vindkraft för att försörja våra hem med energi. För en person med en pacemaker betyder det otroligt mycket för livskvaliteten att deras hjärtslag håller rätt takt.

Inget av detta hade varit möjligt utan batterier, mer specifikt litiumjonbatterier. Därför tilldelas årets Nobelpris i kemi till John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino för deras bidrag till utvecklingen av litiumjonbatterier och vår laddningsbara värld.

 

Många av oss tar säkert batterier för givet och inser inte vilken stor utmaning det faktiskt är att tillverka ett batteri som är effektivt, laddningsbart och dessutom säkert att använda. För att förstå utmaningarna behöver vi först förstå grundprincipen för hur ett batteri fungerar (Figur 1). Två elektroder, en anod (negativ) och en katod (positiv) separeras av en elektrolyt – en lösning genom vilken joner (laddade partiklar) kan färdas fritt. Mellan elektroderna uppstår en elektrisk potential – vi kan beskriva det som att katoden väldigt gärna vill lämna över elektroner till anoden. Vi utnyttjar den elektriska potentialen genom att koppla ihop anoden och katoden i en elektrisk krets, så att det uppstår ett flöde av elektroner, det vill säga en elektrisk ström. Om man istället utsätter batteriet för ström och tvingar elektronerna att färdas tillbaka till anoden kan man ladda upp och återanvända batteriet.

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn
Figur 1. Grundprincipen för ett batteri. Elektroner (e)flödar genom den elektriska kretsen från den negativa till den positiva elektroden. Bild hämtad från https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019.pdf

Men vad är då så speciellt med just litiumjonbatterier? Litium är den lättaste metallen som finns i periodiska systemet. Det betyder att man skulle kunna packa många litiumatomer i ett litet batteri utan att det väger tungt. En annan attraktiv egenskap hos litium är dess elektronstruktur (Figur 2).

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Figur 2. Litiums elektronstruktur. Elektronen i det yttersta skalet kan lätt avlämnas och litiumatomen blir en positivt laddad litium jon. Bild hämtad från https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/

 

Den yttersta elektronen är svagt bunden och kan lämnas ifrån väldigt lätt. Det betyder att det finns möjlighet att skapa en stor elektrisk potential i ett batteri. Problemet med litium är att det är väldigt, väldigt reaktivt (titta på en demonstration här: https://www.youtube.com/watch?v=Vxqe_ZOwsHs men pröva INTE detta hemma!). Årets Nobelpristagare lyckades trots allt tämja litiums reaktivitet och uppfann material för att inkorporera det i effektiva och laddningsbara batterier.

 

Stanley Whittingham visade att titanium disulfid har egenskaper som gör det till ett passande material som katod till en anod av litiummetall (Figur 3). Titanium disulfid har en hög elektrisk potential på ca 2 V gentemot litiummetall och dess struktur består av lager (tänk något i stil med lasagne) mellan vilka det kan ta upp litiumjoner som färdas genom elektrolyten. Dock uppstod problem när den reaktiva litiummetallen efter några uppladdningar bröt sig igenom barriären mellan elektroderna och kortslöt batteriet.

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Figur 3. Batteri med titanium disulfid som katod och litiummetall som anod. Bild hämtad från https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/

 

John B. Goodenough försökte utveckla ett bättre katodmaterial som hade samma lagerstruktur som Whittinghams titanium disulfid. Han föreslog att någon slags metalloxid som katodmaterial skulle vara ännu bättre på att ta upp litiumjoner och ge en ännu högre potential. Det visade sig att hans hade rätt, då ett batteri med koboltoxid som katod gav en potential på hela 4 V (Figur 4)!

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Figur 4. Batteri med koboltoxid som katod och litiummetall som anod. Bild hämtad från https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/

 

Det återstod fortfarande att hitta ett alternativ till litiummetall som anodmaterial. Ett förslag var att helt ta bort metalliskt litium och bara låta litiumjoner röra sig mellan två material som båda hade en lagerstruktur för att ta upp jonerna. Följdfrågan är då vilket material som har en sådan lagerstruktur och kan användas som katod utan att tappa elektrisk potential. Genombrottet kom när Akira Yoshino visade att ett batteri med petroleumkoks, en biprodukt från raffinaderi av oljeraffinaderi, tillsammans med Goodenoughs koboltoxid, gav en elektrisk potential på 4 V och dessutom var stabilt även efter många uppladdningar (Figur 5).

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Figur 5. Modernt litiumjonbatteri med koboltoxid som katod, petroleumkoks som anod och litiumjoner som rör sig mellan dessa. Bild hämtad från https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/

 

Batteriteknologi har utan tvivel varit revolutionerande för vårt samhälle, men det betyder inte att det inte finns möjlighet till förbättring. Kobolt är en dyr och sällsynt metall vars utvinning präglas av politisk och etisk problematik. För att elbilar, sol- och vindkraft ska bli ännu mer konkurrenskraftiga mot fossila bränslen behöver vi ännu bättre batterier som kan lagra energin. I vår strävan efter ett hållbart samhälle behöver vi (unga!) forskare som fortsätter tänja på gränserna för vad batteriteknologi kan åstadkomma.

En mer utförlig populärvetenskaplig artikel finns att läsa här:

https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-chemistryprize2019.pdf

Vill du göra en ordentlig djupdykning finns också den avancerade vetenskapliga bakgrunden:

https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019.pdf

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Alexandra Polyakova, medlem i Unga Forskare