Industribatterier fører an i energilagring

Batterier er enheder, der lagrer energi og frigiver den efter behov. Mens almindelige batterier genererer elektrisk energi ved direkte at omdanne kemisk energi, illustreres energilagringskonceptet godt af Nant de Drance-pumpekraftværkets "vandbatteri". Kraftværket ligger højt oppe i de schweiziske alper og har en elektrisk lagerkapacitet på over 400.000 elbilbatterier.

Dette vandbatteri fungerer ved hjælp af vandkraftgeneratorer og to reservoirer, et højt beliggende og et lavere beliggende. I spidsbelastningsperioder frigives der vand fra det højt beliggende reservoir for at generere elektricitet. Når der er overproduktion af energi, pumpes vandet op igen og lagres til fremtidig brug. 

Selv om det er en fascinerende model, adskiller vandbatteriet sig dog fra de almindelige, bærbare batterier, der bruges til at forsyne store dele af den moderne hverdag med strøm. Almindelige batterier er elektrokemiske celler eller rækker af celler, der producerer elektrisk strøm. 

Få teknologier er vigtigere end elektrokemiske batterier i industriens bestræbelser på at reducere CO₂-udledningen. De forsyner elbiler med drivkraft, lagrer elektricitet fra solpaneler og vindmøller og stabiliserer elnettet. I de to sidstnævnte anvendelser er industribatterier afgørende for en økonomisk opskalering af vedvarende energikilder.

På grund af batteriers entydige miljøpåvirkning, herunder minedrift, bortskaffelse og hele produktionens livscyklus, kræves der en grundig analyse. Det sikrer, at energiomstillingen ikke bytter et sæt miljøproblemer ud med et andet, der er lige så skadeligt.

Elektrokemiske cellebatterier klassificeres i tre hovedkategorier: primære, sekundære og tertiære, med forskellige cellekonstruktioner inden for disse grove kategorier. Brugen af forskellige metaller og elektrolytter inden for disse klassificeringer giver egenskaber, der passer til forskellige slutanvendelser.

Primære cellebatterier, også kendt som engangsbatterier, kan ikke genoplades og skal bortskaffes efter brug. De bruges ofte i bærbare enheder som lommelygter og andre store elektroniske enheder. Eksempler er tørcellebatterier, alkaliske batterier, brunstensceller og litiumprimærceller.

Alkaliske batterier er den mest populære type engangsbatteri. Disse ikke-genopladelige batterier tilhører den billigste kategori, bevarer en ensartet afladningshastighed i hele deres levetid og har en pålidelig ydeevne. Men selv om de er praktiske, er alkaliske batterier ikke miljøvenlige, fordi de kun kan bruges én gang.

Genopladelige batterier, også kaldet sekundære batterier, kan genoplades og genbruges flere gange. I modsætning til primære batterier, der er konstrueret til engangsbrug, bruger genopladelige batterier eksternt elektrisk potential til at vende den kemiske afladningsreaktion, hvilket gør det muligt at bruge dem flere gange. Disse celler findes i forskellige kemiske konfigurationer, herunder bly-syre, nikkel-cadmium (Ni-Cd), nikkel-metalhydrid (Ni-MH) og litium-ion (Li-ion). Genopladelige batterier er generelt dyrere end primære batterier, og nogle kræver særlig håndtering for at forhindre overophedning, som kan medføre brand eller eksplosion.

Tertiære batterier er den mindst almindelige batteritype. I modsætning til primære og sekundære batterier er deres celler adskilt fra andre komponenter indtil lige før aktivering. Elektrolytten er den hyppigst isolerede komponent.

Reservebatterier udelukker effektivt muligheden for selvafladning og minimerer den kemiske nedbrydning. De fleste reservebatterier er af den termiske type og bruges næsten udelukkende til militære formål.

Resten af denne artikel fokuserer på genopladelige litium-ion-batterier (Li-ion), som er den mest almindelige type.

Li-ion-batterier er den foretrukne type til brug i en lang række anvendelser på grund af deres lange levetid, høje energitæthed og ønskede spændingsegenskaber. Den lange liste omfatter bl.a. små høreapparater, mobiltelefoner, computere, elcykler, elbiler og også stor energilagring i netskala.

Li-ion-batterier indeholder typisk forskellige materialer i anoden (den negative elektrode) og katoden (den positive elektrode). Alle ledende materialer, herunder metaller, halvledere, grafit eller ledende polymerer, kan bruges som elektrode.

Positive elektrodematerialer har stor betydning for Li-ion-cellers ydeevne, kredsproces og levetid. Elektrolytten transporterer positivt ladede litium-ioner mellem anoden og katoden, mens separatoren blokerer for strømmen af elektroner inden i batteriet, så litium-ionerne kan passere igennem.

Ved den negativt ladede anode sker der en oxidationsreaktion, som frigiver elektroner, der bevæger sig mod den eksterne del af kredsløbet. De fleste litium-ion-batterier har en grafitblanding som anodemateriale – en kombination af naturlig grafit udvundet af bjergarter og syntetisk grafit, der stammer fra opvarmning af petroleumskoks. Den skabte blanding har en lagdelt struktur, så litium-ioner kan komme ind i lagene under opladning og ud under afladning.

Katoden er den positive elektrode i en celle, hvor der sker en reduktiv kemisk reaktion. Li-ion-batterier indeholder forskellige katodematerialer, herunder litium-kobolt-oxid, litiumjernfosfat og litium-nikkel-mangan-kobolt-oxid. Disse materialer kan skiftevist optage og afgive litium-ioner ind og ud af deres krystalstruktur under op- og afladningscyklusserne.

Producenter af lithium-ion-batterier skal skaffe mineraler af høj kvalitet og enestående renhed. Derfor udgør katoden og anoden mere end halvdelen af produktionsomkostningerne for Li-ion-batterier. Samlingen af katoden, separatoren, anoderne og strømsamlerne kræver også præcise samletrin, herunder placering af de individuelle lag og indpakningen.

Li-ion-batterier har eksisteret i omkring 30 år og har gennem denne periode oplevet en eksponentiel vækst.

Men andre genopladelige batteriers kemi, som f.eks. bly-syre, Ni-Cd og Ni-MH, har eksisteret i over et århundrede. Hver af dem har sine egne fordele og ulemper, som det ses i de følgende afsnit.

Bly-syre-batterier har eksisteret siden slutningen af 1800-tallet og bruges stadig i vid udstrækning i dag. Disse batterier er omkostningseffektive, genvindelige og kræver ikke komplekse batteristyringssystemer til vedligeholdelse. Men de har en lav specifik energi og et begrænset antal cyklusser i forhold til andre typer. Bly-syre-batterier bruges til kørestole, golfvogne, nødbelysning og biler med forbrændingsmotorer. På grund af tilstedeværelsen af bly, som er et kendt giftstof, skal de bortskaffes professionelt, når de er opbrugte.

Ni-Cd-batterier består af nikkeloxidhydroxid, cadmiummetalelektroder og en alkalisk kaliumhydroxidelektrolyt. En af deres primære fordele er muligheden for hurtig opladning, men den medfølgende ulempe er en høj selvafladningshastighed. Derudover er cadmium også giftigt ligesom bly.

Ni-MH-batterier giver trinvise forbedringer i forhold til Ni-Cd, herunder en stigning på 30 % i ladetæthed i forhold til volumen og en meget langsommere selvafladning. Det tager dog længere tid at oplade dem, og de er ekstra udsatte for kapacitetsnedbrydning ved gentagne opladninger.

Sammenlignet med de andre sekundære batteriers kemi er Li-ion-batterier en moderne udvikling inden for genopladning. De har en unik kombination af høj energi- og effekttæthed samt et overlegent forhold mellem vægt og energi sammenlignet med de tre foregående typer. Li-ion-batterier er imidlertid ekstremt brandfarlige, hvilket kræver et beskyttelseskredsløb og forsigtig håndtering.

Der forventes nye generationer af avancerede Li-ion-batterier i nærmeste fremtid. For eksempel litium-svovl-batterier, hvor litiumanoden forbruges, og svovl omdannes til en række forskellige kemiske forbindelser. Faststofbatterier rummer også et potentiale, men dette koncept har endnu ikke flyttet sig fra laboratorierne til kommerciel levedygtighed.

Midt i vores store energiomstilling påvirker batteriernes fremtid os alle. Dette omfatter de anvendte materialer, hvor metallerne findes og udvindes, og hvordan disse mineraler bortskaffes eller ideelt set genbruges. En bæredygtig udvikling af batterier skal tage højde for råmaterialernes kritiske karakter og kræver overvejelser vedrørende anskaffelse, bortskaffelse og eventuel genanvendelse af disse mineraler.