Nanoteknologi leder vägen mot klimatsmartare energilagring

Stora trenderna idag är uppkomsten av mycket billig, förnybar el genom vind och sol. Problemet är att vinden blåser inte hela tiden, och solen skiner inte hela tiden. Framtidens utmaning är att utveckla ett säkert, effektivt sätt lagra den här energin så att den kan användas när man behöver.

Energilagring med batteri har ett stort fokus och marknaden är enorm, bara litiumjon batteriområdet har ett uppskattat värde på hisnande 40 miljarder dollar. Utvecklingen går mycket snabbt inom ett stort antal områden med olika behov av energilagring som inom sol och vind produktion, bilindustri och wearables.

Det mystiska batteriet framtid är beroende på materialutveckling

Energilagring bygger på materialvetenskap och rör sig i gänslandet mellan fysik, kemi, teknik och biologi. Det periodiska systemet ser ut att ge ett stort urval med en enorm komplexitet för materialval är faktiskt en väldigt begränsad palett. Det räcker inte till för att skapa framtidens energimaterial, utan nanoteknologin leder vägen till nya skräddarsydda material.

Ett batteri är fortfarande lite mystiskt. Det är en komplex anordning där det är svårt att greppa varje enskild komponent och aspekt av batteriet. Vårt vanligaste batteri är litiumjonbatteri, uppbyggt med en uppsättning material som är speciellt konstruerade för det ändamålet.  Batteriet består av två elektroder, positiva och negativa elektroden med svart pulver.  En av dem är grafit – och den andra är ett keramiskt material, litiumhaltig metalloxid. Det är i dessa två elektroder där all energi sparas. Utan dessa material blir energi inte lagrat i batteriet.

Men vad är det i det här svarta pulvret, dessa partiklar, som får det att fungera bra och hur kan man förbättra det och lagra allt mer energi? Finns det vägar att ersätta det oorganiska keramiska materialet till förnybart organiskt? Vilka regler gäller för att utforma detta?  Med informationsteknologi som AI, kan man skapa modeller för att förstå vad som händer i gränssnittet mellan de olika materialen, hur energitransporter hanteras i materialet. Med AI kan man visa hur man kan förändra och optimera strukturer för att bästa sätt svara mot en mängd kriterier samtidigt.

DefektDet är defekterna som skapar magi

I ett perfekt material är varje atom där de ska vara och alla bundna atomerna nöjda. För att kunna lagra energi eller katalysera kemiska reaktioner behöver atomerna vara lite missnöjda. Ett sätt att göra detta är att ge defekter i materialet. Till exempel en saknad atom här, en extra atom där. Det skapar ett ogynnsamt energilandskap där systemet vill flytta i båda riktningarna. Det är detta som gör att batterier fungera både bättre och har längre livslängd.  Katalysatorer är exakt samma sak.

När man då ska skapa ett bra energimaterial är ytterligare en utmaning att lägga in defekter i materialet avsiktligt. Nanoteknologi tillåter att man kan skräddarsy material med defekter i materialet. Utmaning att förstå hur defekterna förändras och hur materialet bryts ner med tiden, välja korrekt balans av defekterna, på rätt ställen för att de ska vad de är ämnade till.  De är alltså inte bara att välja vilka atomer som går i materialet utan även vilka fel som går in i materialet.

En av de tuffaste utmaningarna – utveckla resurseffektiva batterier

Framtida batterier måste ha förmåga att lagra i terawatt timmars iställer för kilowatt timme. Då då krävs det en tillgång till tillräckligt med lämpliga råvaror. En av de tuffaste utmaningarna är att resurseffektivt extrahera materialet omvanda det till en teknik, när den är förbrukad återanvända det.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *