"Gigafactorys" skulle en dag kunna bryta ut miljontals elbilsbatterier i Storbritannien. Regeringen har redan förbundit landet till ett förbud mot att sälja nya bensin- och dieselmotoriserade bilar till 2030, så det verkar som att elfordon (eller elbilar, som de ofta förkortas) sannolikt kommer att ersätta mycket av dagens flotta.

Biltillverkaren Nissan har lovat att öka produktionen av elbilar vid sin fabrik i Sunderland i nordöstra England, medan dess industripartner kommer att bygga en elbatterifabrik i närheten. Samtidigt, i Cheshire, har Vauxhalls ägare Stellantis meddelat att de kommer att investera 100 miljoner pund (139 miljoner USD) i att bygga elektriska skåpbilar och bilar vid dess Ellesmere Port-anläggning.

Hur kommer alla dessa batterier att se ut? De flesta elbilar använder idag litiumjonbatterier, men dessa har ett antal begränsningar. Lyckligtvis undersöker forskare och ingenjörer ett antal sätt att övervinna dessa utmaningar som kan bidra till att ge drivkraften att konvertera bilar till elektricitet ett uppsving.

Litiumjonbatterier marknadsfördes först av Sony 1991 och har kommit att bli det vanligaste uppladdningsbara batteriet i fordon, precis som de är i mobiltelefoner och bärbara datorer. De är effektivare och har längre livslängd – mellan 15 och 20 år, ungefär tre gånger så lång som ett traditionellt blybatteri. Litiumjonbatterier lagrar mer energi och är också mycket lättare, vilket innebär att ett fordon utrustat med ett sådant använder mindre energi för att röra sig.

Batterierna genererar energi genom att flytta laddade partiklar som kallas joner bakåt och framåt mellan två elektroder. När batteriet är laddat passerar litiumjoner från en metalloxidföreningselektrod till en grafitelektrod. När batteriet laddas ur för att driva bilen går litiumjonerna åt andra hållet, vilket gör att elektroner flödar i den anslutna elektriska kretsen.

Framtiden för elbilsbatterier

För att göra litiumjonbatterier billigare tittar forskare vid Pennsylvania State University i USA på litiumjärnfosfatbatterier, som använder olika elektrodelement. Den här batterimodellen är mycket billigare och säkrare än de mycket använda litium-nickel-mangan-koboltoxid-batterierna och har potential att driva en bil 450 mil på så lite som tio minuters laddning.

Oron kring det område som fulladdade elbilar kan täcka driver också biltillverkare att utveckla batterier som använder en fast komponent som separerar elektroderna, snarare än en flytande. Dessa är säkrare och kan driva elbilar längre än 300 miles på en enda laddning.

Men litiumbatterier har ett problem. Litium är ett relativt sällsynt grundämne på jorden jämfört med de flesta vanliga mineraler. I takt med att efterfrågan på batterier ökar kommer priset på litium att öka kraftigt. Detta har fått geologer att söka efter nya litiumkällor över hela världen, ofta med sina egna höga kostnader. Till exempel förbrukar utvinningen av litium från saltlägenheter i Chile mycket vatten, vilket är en bristvara där. Kobolt är också en bristvara jämfört med liknande metaller som järn, och malmer är koncentrerade i den politiskt instabila Kongoregionen i Afrika.

En lösning kan vara att få mer användning av det vi redan har. Med mer än en miljon elbilar sålda världen över under 2017, ett antal som ökar snabbt, studerar forskare hur man kan återvinna litium i stor skala. Vissa funderar på om bakterier kan hjälpa dem att uppnå detta.

I framtiden kommer det att vara viktigt att designa batterier som enkelt kan tas isär, för att återanvända de metaller de innehåller. Litium är också en mycket reaktiv metall, vilket innebär utmaningar för människor som har till uppgift att hantera den.

Det finns också potentiella alternativ till litium. Till exempel, natriumjonbatterier samlar intresse från elbilstillverkare på grund av deras lägre kostnad. De fungerar på samma sätt som litiumjonbatterier men natrium är tyngre och lagrar mindre energi.

Något längre in i framtiden ligger multivalenta batterier, där jonen som rör sig mellan elektroderna har en större laddning än litium och därför levererar mer än en elektron vardera till kretsen. Det finns stora utmaningar för forskare att övervinna med dessa batterier, men de skulle potentiellt kunna ge ännu högre energilagring.

Att bygga tillräckligt med elbilar till ett pris som gör dem billigare än fossildrivna alternativ är en stor utmaning. I spetsen för batteriforskningen arbetar forskare för att lösa detta problem och revolutionera hur vi reser.