Batterier har en ledande roll inom energilagring 

Batterier är enheter som lagrar energi och frigör den vid behov. Vanliga batterier genererar elektrisk energi genom direkt omvandling av kemisk energi. Konceptet för energilagring illustreras väl av Nant de Drances ”vattenbatteri” i form av ett pumpkraftverk. Anläggningen ligger i schweiziska alperna och har en elektrisk lagringskapacitet som överstiger 400 000 elbilsbatterier.

Vattenbatteriet drivs med hydroelektriska generatorer och dubbla reservoarer, en övre och en nedre. Under hög belastning släpps vatten från den övre reservoaren ut för att generera el. Vid överproduktion av energi pumpas vattnet tillbaka upp och lagras för framtida bruk. 

Det är en fascinerande modell, men vattenbatteriet skiljer sig från vanliga, bärbara batterier som används för att driva betydande delar av vårt dagliga liv. Vanliga batterier är elektrokemiska celler eller serier av celler som genererar elektrisk ström. 

Få tekniker är viktigare i industrins uppdrag att minska koldioxidutsläppen än elektrokemiska batterier. De driver elfordon, lagrar el från solpaneler och vindkraftverk och stabiliserar elnätet. I de två senare tillämpningarna är batterier avgörande för att ekonomiskt kunna skala upp förnybara energikällor. 

Med tanke på batteriers unika miljöpåverkan, däribland gruvbrytning, kassering och hela livscykeln för tillverkningen krävs en noggrann analys. Detta säkerställer att energiomställningen inte innebär att vi byter ut en uppsättning problem för miljön mot en annan uppsättning som är lika skadlig.

Elektrokemiska cellbatterier delas in i tre huvudgrupper: primär-, sekundär- och tertiärbatterier, med olika cellkonstruktioner inom dessa breda kategorier. Användning av olika metaller och elektrolyter inom dessa klassificeringar ger egenskaper som passar olika slutanvändningar.

Primärbatterier kallas även engångsbatterier och kan inte laddas, utan måste återvinnas efter användning. De används ofta i bärbara enheter som ficklampor och annan större elektronik. Några exempel är torrbatterier, alkaliska batterier, zink-kolbatterier och primära litiumbatterier.

Alkaliska batterier är den vanligaste typen av engångsbatterier. Det är den mest ekonomiska kategorin eftersom dessa batterier bibehåller en jämn urladdningshastighet under hela livslängden och ger tillförlitlig prestanda. Även om de är smidiga är alkaliska batterier inte miljövänliga, eftersom de är just engångsbatterier.

Laddningsbara batterier, eller sekundärbatterier, kan laddas och användas flera gånger. Till skillnad från primärbatterier för engångsbruk använder de extern elektrisk potential för att omvända den kemiska urladdningsreaktionen, vilket gör att de kan användas flera gånger. Dessa batterier kan ha olika kemiska sammansättningar, såsom bly-syra, nickel-kadmium (Ni-Cd), nickel-metallhydrid (Ni-MH) och litiumjon (Li-ion). Laddningsbara batterier är generellt sett dyrare än primära batterier och vissa kräver korrekt hantering för att de inte ska överhettas, vilket kan orsaka brand eller explosion.

Tertiärbatterier är den minst vanliga batteritypen. Till skillnad från primär- och sekundärbatterier är deras celler separerade från andra komponenter fram tills de ska användas. Elektrolyten är den komponent som oftast isoleras.

Reservbatterier eliminerar effektivt risken för självurladdning och minimerar den kemiska nedbrytningen. De flesta reservbatterier är termiska och används nästan bara i militära tillämpningar.

Resten av denna artikel kommer att fokusera på laddningsbara litiumjonbatterier (Li-ion), vilka är den vanligaste varianten.

Litiumjonbatterier är den föredragna varianten i ett brett spektrum av tillämpningar tack vare deras långa livslängd, höga energitäthet och önskvärda spänningsegenskaper. Den långa listan över användningsområden innefattar små hörapparater, mobiltelefoner, datorer, elcyklar, elfordon och till och med mycket storskalig energilagring.

I litiumjonbatterier används vanligtvis olika material till anoden (negativ elektrod) och katoden (positiv elektrod). Alla elektriskt ledande material, inklusive metaller, halvledare, grafit eller ledande polymerer kan användas som elektrod.

Materialen i den positiva elektroden kan ha en avsevärd påverkan på litiumjoncellers prestanda, laddcykler och livslängd. Elektrolyten leder positivt laddade litiumjoner mellan anoden och katoden medan separatorn blockerar elektronflödet i batteriet, vilket gör att litiumjoner kan passera.

Vid den negativt laddade anoden sker en oxidationsreaktion som frigör elektroner som rör sig mot kretsens yttre del. De flesta litiumjonbatterier använder en grafitblandning som anodmaterial – en kombination av naturlig grafit som utvinns ur jorden samt syntetisk grafit som utvinns genom upphettning av petroleumkoks. Den blandning som bildas har en struktur med lager som göra att litiumjoner kan röra sig in i lagren under laddning och ut ur dem under urladdning.

Katoden är den positiva elektroden i en cell där en kemisk reduktionsreaktion sker. Litiumjonbatterier använder olika katodmaterial, däribland litiumkoboltoxid, litiumjärnfosfat och litium-nickel-mangan-kobolt-oxid. Dessa material kan både ta emot och stöta ut litiumjoner in i och ut ur sin kristallstruktur under laddnings- och urladdningscykler.

Tillverkare av litiumjonbatterier behöver högkvalitativa mineraler med exceptionell renhet. Därför ligger mer än hälften av tillverkningskostnaden för litiumjonbatterier i katoden och anoden. För att sätta ihop katod, separator, anoder och strömavtagare krävs exakta monteringssteg inklusive placering av individuella lager och hölje.

Litiumjonbatterier har funnits i runt 30 år och under den perioden har de haft en exponentiell tillväxt.

Andra tekniker för laddningsbara batterier – som bly-syra, nickel-kadmium och nickel-metallhydrid – har dock funnits i över 100 år. Alla har unika fördelar och nackdelar, vilka lyfts fram i följande avsnitt.

Blybatterier har funnits sedan slutet av 1800-talet och används än i dag i stor utsträckning. Dessa batterier är kostnadseffektiva, återvinningsbara och kräver inga komplexa batterihanteringssystem för underhåll. De har dock låg specifik energi och ett begränsat antal cykler jämfört med andra varianter. Blybatterier används för att driva permobiler, golfbilar, nödbelysning och bilar med förbränningsmotorer. På grund av att de innehåller bly, ett känt toxin, måste de kasseras på ett professionellt sätt i slutet av sin livslängd.

Nickel-kadmium-batterier består av nickeloxidhydroxid, metalliska kadmiumelektroder och en alkalisk kaliumhydroxidelektrolyt. En av de främsta fördelarna är möjligheten till snabbladdning, men den tillhörande nackdelen är en hög urladdningshastighet. Dessutom är kadmium, precis som bly, giftigt.

Ni-MH-batterier har stora fördelar jämfört med Ni-Cd, bland annat 30 % ökning i laddningstäthet per volym och mycket långsammare självurladdning. Det tar dock längre tid att ladda dem och kapaciteten tenderar att försämras efter upprepade laddningar.

Jämfört med övriga sekundärbatterier är litiumjonbatterier en modern laddningsbar innovation. De uppvisar en oöverträffad kombination av hög energi- och effekttäthet, tillsammans med ett överlägset förhållande mellan vikt och energi när man jämför med de tre föregående varianterna. Litiumjonbatterier är dock extremt lättantändliga, vilket gör att det krävs en skyddskrets och varsam hantering.

Nya generationer av avancerade litiumjonbatterier väntas dyka upp inom en snar framtid. Till exempel litiumsvavelbatterier, där litiumanoden förbrukas och svavlet omvandlas till olika kemiska föreningar. Fastfasbatterier har också potential, men detta koncept har ännu inte tagit steget från laboratoriet till den kommersiella marknaden.

Mitt i vår stora energiomställning påverkar batteriernas framtid oss alla. Det innefattar de material som används, var metallerna anskaffas och utvinns och hur dessa mineraler kasseras, eller, ännu hellre, återvinns. Hållbar batteriutveckling kräver hänsyn till råmaterialens problematik och noggranna överväganden avseende utvinning, kassering och slutlig återanvändning av dessa mineraler.