Natriumbatterier för stationär lagring: studier av katod- och anodmaterial

Tidsperiod:

1 januari 2018 – 31 december 2020

Projektledare:

Kristina Edström

Projektdeltagare:

Mouad Dahbi, Daniel Brandell, Ismael SAADOUNE, Reza Younesi

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Stöd till forskningsmiljö

Budget:

1 125 000 SEK

Användningen av batterier växer idag explosionsartat. Det är framför allt det batterier som innehåller högst mängd lagrad energi per vikts- och volymstäthet som är på stark frammarsch: litium-jonbatterierna. Dessa har länge haft använts för bärbar elektronik – vilket också är en växande marknad – men börjar nu i stor skala implementeras i elektriska fordon och hybridfordon av olika slag. Man tror att den installerade kapaciteten för fordonsbatterier kommer att tiodubblas mellan 2015 och 2025 (och sedan mångdubblas igen till 2030!), vilket föranleder dagens satsningar på nya batterifabriker för litium-jon.Vid sidan av batterier för fordon behövs också allt mer energilagring i elnätet. Detta behov uppkommer av att allt mer el produceras lokalt, och av enheter som inte producerar ström kontinuerligt – t ex solceller. Även här är batterier ett ofta attraktivt sätt att lagra energi, och prognoser tyder på att den installerade lagringskapaciteten i nätet kommer behöva vara större än för fordon år 2030. Med denna expansion behövs att fler typer av batterimaterial och -kemier studeras och utvecklas, än bara de baserade på litium-jon. Tillgången på litium är trots allt begränsad, och kommersiellt brytbara resurser är lokaliserade till ett fåtal länder, vilket gör mineralerna geopolitiskt känsliga.I detta sammanhang är det lätt att förstå att intresset för att ersätta litium med natrium har vuxit betydligt. Natrium (Na) erbjuder dock mycket mer miljömässigt och ekonomiskt hållbara alternativ än litium (Li). Natrium är det fjärde mest vanligt förekommande grundämnet i jordskorpan och finns i stora och lätt utvunna mängder i havsvatten (hälften av atomerna i koksalt är natrium). Natrium påminner elektrokemiskt om litium, vilket gör att energitätheten i de färdiga cellerna blir fortsatt hög – om än kanske inte hög nog för fordon, så för storskalig lagring.Det finns dock en rad problem som först måste lösas med Na-batterier innan de kan börja tillverkas på stor skala. Här krävs mycket mer forskning, och inte minst måste en fundamental förståelse för de ingående processerna skapas. Det har visat sig att de kemiska reaktionerna i natriumbaserade batterier är långt ifrån analoga till de i litiumbaserade, och orsakerna till detta är långt ifrån klarlagda. Detta gör att Na-batteriernas livslängd är betydligt sämre. Man skall i detta sammanhang betänka att kemierna hos litium-jonbatteriet studerats och utvecklats under flera tiotals år av tusentals forskare, utan att vara fullständigt klarlagda. Detta är kemiskt komplexa system, och akademisk forskning kan bidra väsentligt.  Det är detta sammanhang som detta sökta projekt föreslås. Marocko är ett land rikt på mineraler, bland annat sådana som kan användas för Na-batterier. Här finns stora möjligheter för att utveckla lokalt avancerade material istället för att exportera mineraler till producenter i andra (mer industrialiserade) länder. Landet har också potential för ett mer hållbart energisystem. Den inom projektet verksamma marockanska gruppen har också mycket goda kunskaper och möjligheter till syntes av nya material, men saknar den krävande utrustning som behövs för karaktärisering av dessa: att studera materialens struktur, deras ytkemi, samt deras elektrokemiska funktionalitet i batterier. Uppsala har dock exakt det sistnämnda med tanke på att norra Europas största forskningsmiljö för batterier finns lokaliserad dit – och ett forskningssamarbete har därför uppenbara fördelar för båda parter. Gruppen i Marocko utvecklar nya avancerade material för Na-batterier, och gruppen i Uppsala studerar dessa och implementerar dem i prototypbatterier. De huvudsakliga målen för forskningen är att ta fram material för att förlänga cyklingstiden, dvs antalet cykler batteriet kan laddas upp och ut, samt att förbättra energitätheten, dvs hur mycket energi som lagras per vikts- och volymsenhet. För detta syfte kommer det att framställas:  Katodmaterial baserade på oxider och fosfater som erbjuder hög energi.Ko