Hvordan batterier til elbiler vil se ud i fremtiden

"Gigafactorys" kunne en dag kassere millioner af elbilbatterier i Storbritannien. Regeringen har allerede forpligtet landet til et forbud mod at sælge nye benzin- og dieseldrevne biler inden 2030, så det ser ud til, at elektriske køretøjer (eller elbiler, som de ofte forkortes) sandsynligvis vil erstatte meget af nutidens flåde.

Bilproducenten Nissan har lovet at øge el-produktionen på sin fabrik i Sunderland i det nordøstlige England, mens dens industrielle partner skal bygge et elektrisk batterianlæg i nærheden. I mellemtiden har Vauxhalls ejer Stellantis i Cheshire annonceret, at de vil investere 100 millioner pund (139 millioner dollars) i at bygge elektriske varevogne og biler på dets Ellesmere Port-fabrik.

Hvordan vil alle disse batterier se ud? De fleste elbiler bruger i dag lithium-ion-batterier, men disse har en række begrænsninger. Heldigvis undersøger videnskabsmænd og ingeniører en række måder at overvinde disse udfordringer på, som kan hjælpe med at give drivkraften til at omdanne biler til elektricitet et løft.

Lithium-ion-batterier blev først markedsført af Sony i 1991 og er blevet det mest udbredte genopladelige batteri i køretøjer, ligesom de er i mobiltelefoner og bærbare computere. De er mere effektive og har længere levetid - mellem 15 og 20 år, cirka tre gange så meget som et traditionelt bly-syre-batteri. Det er afgørende, at lithium-ion-batterier lagrer mere energi og er også meget lettere, hvilket betyder, at et køretøj udstyret med et sådant bruger mindre energi til at bevæge sig.

Batterierne genererer energi ved at flytte ladede partikler kaldet ioner frem og tilbage mellem to elektroder. Når batteriet er opladet, passerer lithium-ioner fra en metaloxidforbindelseselektrode til en grafitelektrode. Når batteriet er afladet for at drive bilen, går lithium-ionerne den anden vej, hvilket får elektroner til at strømme i det tilsluttede elektriske kredsløb.

Fremtiden for EV-batterier

For at gøre lithium-ion-batterier billigere, kigger forskere ved Pennsylvania State University i USA på lithium-jernphosphat-batterier, som bruger forskellige elektrodeelementer. Denne batterimodel er meget billigere og sikrere end de meget udbredte lithium-nikkel-mangan-cobaltoxid-batterier og har potentiale til at drive en bil 250 miles på så lidt som ti minutters opladning.

Angst omkring det område, fuldt opladede elbiler kan dække, får også bilproducenter til at udvikle batterier, der bruger en solid komponent, der adskiller elektroderne, snarere end en flydende. Disse er sikrere og kan drive elbiler længere end 300 miles på en enkelt opladning.

Men lithium-batterier har et problem. Lithium er et relativt sjældent grundstof på Jorden sammenlignet med de fleste mineraler i almindelig brug. I takt med at efterspørgslen efter batterier stiger, vil prisen på lithium stige kraftigt. Dette har fået geologer til at søge efter nye kilder til lithium på verdensplan, ofte med deres egne høje omkostninger. For eksempel bruger udvindingen af ​​lithium fra saltflader i Chile masser af vand, som er en mangelvare der. Kobolt er også sjældent sammenlignet med lignende metaller som jern, og malme er koncentreret i den politisk ustabile Congo-region i Afrika.

En løsning kan være at få mere brug af det, vi allerede har. Med mere end en million solgte elbiler på verdensplan i 2017, et antal stigende hurtigt, studerer forskere, hvordan man genbruger lithium i massiv skala. Nogle overvejer, om bakterier kan hjælpe dem med at opnå dette.

Fremover bliver det vigtigt at designe batterier, der nemt kan skilles ad, til at genbruge de metaller, de indeholder. Lithium er også et meget reaktivt metal, der giver udfordringer for folk, der har til opgave at håndtere det.

Der er også potentielle alternativer til lithium. For eksempel samler natrium-ion-batterier interesse fra elbilproducenter på grund af deres lavere omkostninger. De fungerer på samme måde som lithium-ion-batterier, men natrium er tungere og lagrer mindre energi.

Noget længere ude i fremtiden ligger multivalente batterier, hvor ionen, der bevæger sig mellem elektroderne, har en større ladning end lithium og derfor leverer mere end én elektron hver til kredsløbet. Der er betydelige udfordringer for forskere at overvinde med disse batterier, men de kan potentielt levere endnu højere energilagring.

Det er en stor udfordring at bygge nok elbiler til en pris, der vil gøre dem billigere end fossilt brændstof. På forkant med batteriforskning arbejder videnskabsmænd på at løse dette problem og revolutionere måden, vi rejser på.