Naturen inspirerar till självläkande batterier

Som batteriforskare har Kristina Edström fått se sitt ämne befrias från tråkighetsstämpeln. Idag är batterier ett hett område där nya upptäckter har potential att förändra hela samhällsutvecklingen. En förhoppning är att skapa självläkande batterier med inspiration från processer i naturen.

Kristina Edström

Professor i kemi 

Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Materialkemiska aspekter av litiumjonbatterier, särskilt anodmaterial. Utvecklingen av nya batterikemier som litium-luft, litium-svavel och natriumjonbatterier.

Batterier utgör idag en nyckelteknik på många områden. I en uppkopplad värld blir efterfrågan allt större på starka och hållbara batterier. Och när världens länder försöker nå klimatmålen är kraftfullare uppladdningsbara batterier avgörande för övergången till elbilar och andra batteridrivna fordon.

Det är med andra ord inte märkligt att batteriforskningen drar till sig ett enormt intresse, menar Kristina Edström, som är professor i kemi vid Uppsala universitet och ledare för Ångström Advanced Battery Centre. Annat var det när hon skrev sin doktorsavhandling i slutet på 1980-talet.

– Då avfärdade man batteriet som en urtråkig burk och många tyckte att det handlade om andefattig forskning.

Rena science fiction

Kristina Edström har alltid haft ett stort kemiintresse och drivits av en önskan att förstå de fundamentala mekanismerna. Hon har också lärt sig att tycka om den tillämpade forskningen i takt med att batterierna kommit att spela en allt större roll i vår vardag. Hon minns ett möte med telekombolaget Ericsson i mitten av 1990-talet och de visioner som då presenterades.

– De talade om att göra telefonerna mycket mindre, att de skulle kunna spela musik och skicka elektroniska meddelanden. Vi häpnade och tyckte att det framstod som rena science fiction.

Den teknik som då lät fantasifull har idag blivit en självklarhet tack vare en hisnande utveckling.

– Batterierna blev bättre och med det föddes helt andra tillämpningar. Men inte nog med det – vi har också fått ett helt annat mänskligt beteende än vad vi då kunde föreställa oss.

Enligt Kristina Edström är tiden nu mogen att ta nästa kliv i batteriutvecklingen. Hon ser fram emot att förbättra en lång rad egenskaper hos batterierna.

– Vi vill få mer energi, mer effekt, längre liv och stoppa åldringseffekter. Samtidigt vill vi göra säkrare batterier som är extremt billiga och som inte kräver kritiska råmaterial.

Självläkande batterier

Önskelistan är diger och Kristina Edström väljer att fokusera på några delar i taget. I ett pågående projekt inspireras hon av processer från naturen för att skapa hållbara och i viss mån självläkande batterier.

En battericell består av tre huvudkomponenter: två elektroder och en elektrolyt. Inuti cellen står elektroderna i kontakt med varandra genom elektrolyten, ett material som har förmågan att leda joner men inte elektroner.

I uppladdningsbara batterier pågår ständigt ett slitage på grund av olika sidoreaktioner som sker i battericellen. Jonerna, till exempel natriumjoner eller litiumjoner, vandrar ständigt fram och tillbaka vid upp- och urladdning. Den kemiska processen fortgår tills elektroderna blir utarmade. Cellen har då gjort av med all sin energi.

– Med tiden spricker elektrodernas yta och batterierna förlorar gradvis sin kapacitet. Vi försöker nu tillverka vad vi kallar självläkande polymerer som kan läggas som en skyddande film för att få ytan att hålla längre.

Målet är att identifiera olika typer av polymerer, kedjeformade molekyler, som lätt kan länkas ihop och bilda de skyddande skikten. De olika varianterna av polymerer ska sedan syntetiseras och analyseras elektrokemiskt genom spektroskopi. I nästa steg handlar det om att modellera gränsytorna mellan elektroder och elektrolyt för att klarlägga hur polymererna binder till elektrodytorna.

– Vi ska också ta reda på om det är bäst att låta polymererna verka redan från början eller om det ska finnas ett stimuli i en viss situation som gör att de börjar fungera.

Ett liknande koncept finns inom läkemedelstillverkningen där man kan inkapsla ett läkemedel i partiklar och låta det frisättas i kroppen genom ett visst stimuli eller efter en viss tid.

Helt nya batterier

I framtiden kan forskningen leda fram till batterier som kan användas vid helt andra temperaturer än idag och säkerheten kan ökas genom att man undviker överhettning. Livskraftigare batterier kan bli drivkraften i en ny omvälvande samhällsförändring, säger Kristina Edström.

– Det är ett stort fokus på elbilar och fordonsindustrin, men en spännande utveckling kommer också att ske på det medicinska området. Där handlar det om miniatyrisering av batterier som kan användas inom diagnostik, artificiella muskler och den stora satsningen på robotik inom hälso- och sjukvården. 

En annan förhoppning är att framställa miljövänligare batterier. Mineraler är nödvändiga för att få en hög energitäthet, men forskarna tittar nu alltmer på cellulosabaserade material.

– I ett samarbete med Stora Enso tittar vi på rester från skogsindustrin och hur man kan karbonisera dem, alltså koka ner dem till kolpartiklar, och använda som ett elektrodmaterial.

”När jag var ung forskare fanns inte den här sortens anslag utan jag har fått kämpa mig fram. Därför känns det otroligt stort att i min seniora ålder få en bekräftelse i form av Wallenberg Scholar. Jag hoppas att forskningen ska leva upp till förväntningarna.”

Som Wallenberg Scholar hoppas Kristina Edström först och främst nå fram till en beskrivning av hur processerna för självläkande molekyler fungerar i batterisammanhang. Men hon vill också gärna se att resultaten kommer till nytta i ett verkligt batteri.

– Lyckas vi ta fram batterier som kan användas på riktigt vore det en dubbel vinst.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström