Alla som har en dator eller mobil känner alltför väl igen problemet. Efter bara några år är den dyra prylen oftast förbrukad på grund av batteriets försämrade laddningsförmåga. Litiumjonbatterier håller som längst bara tre till fem år.

Nu vill forskare ta reda på varför uppladdningsbara litiumjonbatterier så snabbt tappar i styrka. En av dem är Erik J. Berg, som genom utnämningen till Wallenberg Academy Fellow har kunnat flytta sin forskning från Schweiz hem till Sverige. På Ångströmlaboratoriet i Uppsala bygger han upp en ny forskargrupp med målet att ta fram nya experimentella metoder som i realtid kan studera de kemiska reaktioner som äger rum när batteriet laddas upp och laddas ur.

– Strategin är att ta fram nyskapande experiment och att utveckla nya, skräddarsydda tekniker. Vi vill göra mätningar på batterierna och titta på extremt småskaliga processer. Om det på en minut sker en miljon kemiska reaktioner i en cell så är jag intresserad av bara hundra av dem. Då gäller det att ha rätt verktyg för att kunna urskilja dem.

”Utnämningen till Wallenberg Academy Fellow är en kvalitetsstämpel på mitt arbete. De finansiella medel som följer med är väldigt viktiga för att kunna bygga upp min forskning. Nätverket som skapas med mentorer och andra Fellows här i Sverige är också betydelsefullt eftersom jag just har flyttat tillbaka efter flera år i Schweiz.”

Batterier åldras

Den aktiva komponenten i litiumjonbatterier är litiumjonen som reagerar antingen med en positiv eller en negativ elektrod. Det fungerar med nästan hundra procents effektivitet, men med betoning på nästan.

– I cirka 0,03 procent av fallen hittar litiumjonen på något annat, det vill säga den deltar i olika sidoreaktioner som gör att batteriet tappar sin förmåga att lagra energi. Det påminner om hur en mutation i cellerna påverkar förmågan att nybilda celler, alltså en sorts åldrandeprocess hos batterierna precis som hos människan, säger Erik J. Berg.

Om batteriet varje dag förlorar 0,03 procent av den aktiva litiumjonen så kommer det att ha förbrukat sin livslängd inom två till tre år, precis det som vanligen händer med exempelvis en mobiltelefon.

Inspiration från biologin

Berg och hans kollegor tittar mycket brett på olika metoder och har bland annat inspirerats från biologin där man använder känsliga instrument för att detaljstudera proteinstrukturer. De bygger själva om olika avancerade instrument och anpassar dem för att undvika felkällor.

– Det är ett generellt problem vid vetenskapliga mätningar att man riskerar att störa systemet. Vi vill störa kemin så litet som möjligt, men ändå se vad som händer.

Under de senaste 10 åren har optisk spektroskopi utvecklats där man på en miljarddels meter kan komma nära materialens ytor, avslöja hur förändringar sker och utvinna kemisk information från de extremt tunna ytlagren. En annan teknik som kommer till användning är masspektrometri.

– Masspektrometern fungerar som en exceptionellt känslig näsa och kan upptäcka skillnader ner till en miljontedels förändringar. Med den kan vi faktiskt mäta just den där enda reaktionen som gick fel.

Resultaten ska användas för att analysera vad som händer när batterierna åldras och hur man ska gå tillväga för att påverka händelseförloppet. I vissa experiment ingår att mixtra med batterierna genom att använda olika ytbeläggningar av material och att lägga in aktiva molekyler i cellerna för att angripa de specifika sidoreaktionerna.

Kort livslängd hämmar utvecklingen

Utvecklingen av litiumjonbatterier har möjliggjort en teknikrevolution de senaste decennierna med allt från bärbara datorer till elbilar. Men batteriernas begränsade livslängd hämmar utvecklingen.

– Livslängden är för kort. Ta elbilar. Där är batteriet den dyraste komponenten. Idag förväntar man sig att kunna behålla en bil i 10 till 20 år, men om batteriet dör halvvägs så blir det en dyr investering. Batteriernas livslängd är det som bromsar övergången till elbilar idag.

Industrin har därför stora förhoppningar på den pågående forskningen. Berg har bland annat inlett ett samarbete med batteriföretaget Northvolt som står bakom satsningen på en batterifabrik i Skellefteå. Näringslivet har oftast inte uthållighet att ge sig ut på okänd mark och därför fyller akademisk forskning en viktig funktion, påpekar han.

– Vi har en större frihet att prova nya koncept, medan industrin oftast vill satsa på att vidareutveckla den teknik som redan finns.

Lagring av energi från sol och vind

I framtiden handlar den stora samhällsnyttan om att använda litiumjonbatterier för att storskaligt lagra energi från solkraft och vindkraft. Men det kräver batterier som håller i upp till 20 eller 30 år, annars blir det inte samhällsekonomiskt lönsamt.

– Batterier är oslagbara på energilagring och jag tror att om vi en dag ska komma bort från fossila bränslen så finns inga andra alternativ.

Ett ”batterisamhälle” skulle föra med sig enorma miljövinster. Tanken på att den egna forskningen faktiskt kan bli en pusselbit i bygget av ett hållbart samhälle är en viktig drivkraft för Erik J. Berg.

– Jag skulle nog tappa sugen om jag jobbade med något där det inte fanns en motivation att bidra till något större utanför mig själv. Kanske känner de som forskar inom medicin på samma sätt: en vilja att hjälpa människor, att driva teknik och samhället framåt och att komma vidare.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström