Batteri i var mans hand får årets kemipris

Alla med en mobiltelefon har deras uppfinning i fickan. Årets kemipris går till trion bakom litiumjonbatteriet, som möjliggör ett laddbart, trådlöst och fossilfritt samhälle.

Upphovsmännen till litiumjonbatteriet har länge varit favorittippade till kemipriset. Få uppfinningar har fått så stort genomslag som det lätta och uppladdningsbara batteri som de utvecklade under 1970och 1980-talen.

Utan litiumjonbatterier skulle världen se annorlunda ut. Mobiltelefonerna skulle inte vara så små och kraftfulla, och färre elbilar skulle rulla på gatorna. Enligt Kungliga Vetenskapakademien, som utser pristagarna, möjliggör litiumjonbatteriet ett fossilfritt samhälle. Förutom i elbilar kan de användas för att lagra energi från soloch vindkraft så att det finns el även om det inte är soligt eller blåsigt.

– Jag är väldigt glad över hur litiumjonbatteriet gör det möjligt att kommunicera över världen och att det används till goda saker som att minska användningen av fossila bränslen på vägarna, säger John B. Goodenough, en av de tre pristagarna, per telefon.

Men det var ingen enkel uppgift att utveckla batteriet som visat sig vara överlägset när det gäller energiinnehåll i förhållande till sin vikt. Litium är ett lätt och extremt reaktivt ämne – just de egenskaper som ett bra batterimaterial ska ha. Baksidan är att det är svårt att kontrollera.

– Pristagare har lyckats att tämja det reaktiva litiumet, förklarade Olof Ramström, professor i kemi och ledamot av Nobelkommittén för kemi, när kemipriset presenterades.

I ett litiumjonbatteri rör sig litiumjoner från den negativa elektroden, anoden, genom en elektrolyt och ett membran till den positiva elektroden, katoden. Samtidigt skapas en ström av elektroner. När batteriet laddas flödar joner och elektroner åt motsatt håll.

Utmaningen var att hitta material som kunde hysa de små litiumjonerna i katoden och anoden efter varje resa genom elektrolyten. Kemisten Stanley Whittingham, i dag professor vid Binghamton university i USA, upptäckte att litiumjoner kunde lagras i små hålrum i titandisulfid. Med detta material som katod i kombination med en anod av litium lyckades han bygga det första fungerande litiumbatteriet.

Fysikern John B. Goodenough, då verksam vid brittiska Oxford University, hade en bättre kandidat till katoden. Genom att byta ut titandisulfiden mot koboltoxid lyckades han fördubbla spänningen och därmed kraften i batteriet.

Huvudvärken var fortfarande den negativa sidan – anoden – som bestod av reaktivt litium. Problemet är att det kan bilda utskott som kortsluter batteriet så att det börjar brinna.

Japanen Akira Yoshino vid före

taget Asahi Kasei Corporation provade sig fram för att hitta en lösning. Genombrottet kom när han testade en restprodukt från petroleumindustrin, petroleumkoks. Materialet kunde dra till sig och släppa ifrån sig litiumjoner.

Året var 1985 och sex år senare började ett stort japanskt elektronikföretag att sälja de första litiumjonbatterierna. Tack vare det nya batteriet kom en ström av lätta bärbara elektronikprylar. Akira Yoshinos petroleumkoks byttes så småningom ut mot grafit, som sitter i dagens anoder.

Av de tre pristagarna har framför allt John B. Goodenough fortsatt att utveckla tekniken och har tagit fram flera alternativa katodmaterial, som till exempel järnfosfat, som ger ett mer miljövänligt batteri.

Trots sina 97 år är han fortfarande verksam. Varje dag beger han sig till labbet vid University of Texas i Austin, USA. Där arbetar han tillsammans med sina yngre kol- legor för att göra litiumjonbatteriet ännu mer kraftfullt och säkert.

Ett sätt, som många labb jobbar med runt om i världen, är att gå tillbaka till rent litium i anoden. På så sätt kan energimängden i batteriet ökas 2–3 gånger. För att undvika farliga utskott behöver den flytande elektrolyten bytas ut mot en i fast form.

– Jag har personer hos mig som arbetar med polymerer för att göra vätskan fast, säger John B. Goodenough.

UTMANINGAR FÖR FRAMTIDA TEKNIK

Efter 30 år är litiumjon fortfarande den ledande batteritekniken. Runt om i världen byggs flera nya, stora fabriker för att möta efterfrågan från elbilstillverkarna.

Här gäller det att Europa hänger med, betonar Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet. Hon hoppas att årets kemipris ska öka intresset för batterier bland studenter och forskare.

– Uppsvinget inom området gör att vi börjar få brist på kompetens, säger Kristina Edström.

En annan utmaning är att utveckla effektiva återvinningsprocesser.

– Det pågår väldigt mycket utveckling av ny återvinningsteknik, men det kan även behövas politiska beslut för att få igång en storskalig återvinning, säger Björn Sandén, professor i innovation och hållbarhet på Chalmers tekniska högskola i Göteborg.

Hur lång tid måste jag köra en elbil för att betala av miljöskulden som uppstår vid tillverkningen av batteriet?

– De senaste studierna, som baseras på en ”normalsmutsig” tillverkning, visar att det tar cirka 1,5 år. Men nu när fabrikerna börjar köpa in el från förnybara källor så minskar koldioxidavtrycket, säger Björn Sandén.