Ett nytt ledarmaterial och ett nytt elektrodmaterial skulle kunna bana väg för billiga batterier och därmed storskalig lagring av förnybar energi.

Energiomställningen är beroende av teknik som möjliggör billig tillfällig lagring av el från förnybara källor. En lovande ny kandidat är aluminiumbatterier, som är gjorda av billiga och rikliga råvaror.

Forskare från ETH Zürich och Empa, ledd av Maksym Kovalenko, Professor i funktionella oorganiska material, är bland dem som är involverade i att forska och utveckla batterier av detta slag. Forskarna har nu identifierat två nya material som kan åstadkomma viktiga framsteg i utvecklingen av aluminiumbatterier. Den första är ett korrosionsbeständigt material för de ledande delarna av batteriet; den andra är ett nytt material för batteriets positiva pol som kan anpassas till en lång rad tekniska krav.

Eftersom elektrolytvätskan i aluminiumbatterier korroderar rostfritt stål, guld och platina, forskare letar efter korrosionsbeständiga material för de ledande delarna av dessa batterier. Titannitrid, ett keramiskt material som uppvisar tillräckligt hög ledningsförmåga, är en sådan konduktör. "Denna förening består av de mycket rikliga grundämnena titan och kväve, och det är lätt att tillverka, " förklarar Kovalenko.

Forskarna har framgångsrikt tillverkat aluminiumbatterier med ledande delar gjorda av titannitrid i laboratoriet. Materialet kan enkelt framställas i form av tunna filmer, även som beläggning över andra material såsom polymerfolier. Kovalenko tror att det också skulle vara möjligt att tillverka ledarna av en konventionell metall och belägga dem med titannitrid, eller till och med för att skriva ut ledande titannitridspår på plast. "Titannitrids potentiella tillämpningar är inte begränsade till aluminiumbatterier. Materialet kan också användas i andra typer av batterier; t.ex. i de som är baserade på magnesium eller natrium, eller i högspänningslitiumjonbatterier, säger Kovalenko.

Det andra nya materialet kan användas för den positiva elektroden (polen) på aluminiumbatterier. Medan den negativa elektroden i dessa batterier är gjord av aluminium, den positiva elektroden är vanligtvis gjord av grafit. Nu, Kovalenko och hans team har hittat ett nytt material som konkurrerar med grafit när det gäller mängden energi ett batteri kan lagra. Materialet i fråga är polypyren, ett kolväte med en kedjeliknande (polymer) molekylstruktur. I experiment, prover av materialet – särskilt de där molekylkedjorna samlas på ett oordnat sätt – visade sig vara idealiska. "Mycket utrymme återstår mellan molekylkedjorna. Detta gör att de relativt stora jonerna i elektrolytvätskan lätt kan penetrera och ladda elektrodmaterialet, " förklarar Kovalenko.

En av fördelarna med elektroder som innehåller polypyren är att forskare kan påverka deras egenskaper, såsom porositeten. Materialet kan därför anpassas perfekt till den specifika applikationen. "I kontrast, den grafit som används för närvarande är ett mineral. Ur ett kemitekniskt perspektiv, det kan inte ändras, säger Kovalenko.

Eftersom både titannitrid och polypyren är flexibla material, forskarna tror att de är lämpliga för användning i "påsceller" (batterier inneslutna i en flexibel film).

Batterier för energiomställningen

En ökande mängd el genereras från sol- och vindenergi. Dock, eftersom elektricitet behövs även när solen inte skiner och vinden inte blåser, ny teknik kommer att behövas, som nya typer av batterier, att lagra denna el på ett kostnadseffektivt sätt. Även om befintliga litiumjonbatterier är idealiska för elektromobilitet på grund av sin låga vikt, de är också ganska dyra och därför olämpliga för ekonomisk storskalighet, stationär kraftlagring.

Vidare, litium är en relativt sällsynt metall och är svår att extrahera – till skillnad från aluminium, magnesium eller natrium. Batterier baserade på ett av de tre sistnämnda elementen ses alltså som ett lovande alternativ för stationär kraftlagring i framtiden. Dock, sådana batterier befinner sig fortfarande på forskningsstadiet och har ännu inte börjat användas industriellt.