Litiumjonbatterier är brandfarliga och priset på råvaran stiger. Finns det alternativ? Ja:Forskare från Empa och ETH Zürich har upptäckt lovande metoder för hur vi kan tillverka batterier av avfallsgrafit och metallskrot.

Kostiantyn Kravchyk arbetar i Maksym Kovalenkos grupp. Denna forskargrupp är baserad på både ETH Zürich och i Empas Laboratory for Thin Films and Photovoltaics. De två forskarnas ambitiösa mål på Empa-filialen är att göra ett batteri av de vanligaste grundämnena i jordskorpan – som magnesium eller aluminium. Dessa metaller erbjuder en hög grad av säkerhet, även om anoden är gjord av ren metall. Detta ger också möjlighet att montera batterierna på ett mycket enkelt och billigt sätt och att snabbt uppskala produktionen.

För att få sådana batterier att fungera, den flytande elektrolyten behöver bestå av speciella joner som inte kristalliserar vid rumstemperatur – dvs bildar en slags smälta. Metalljonerna rör sig fram och tillbaka mellan katoden och anoden i denna "kallsmälta", inkapslad i en tjock mantel av kloridjoner. Alternativt stora men lätta organiska anjoner, som är metallfria, kan användas. Detta kommer med ett problem, dock:vart ska dessa "tjocka" joner gå när batteriet är laddat? Vad kan vara ett lämpligt katodmaterial? Som jämförelse:i litiumjonbatterier, katoden är gjord av en metalloxid, som lätt kan absorbera de små litiumkatjonerna under laddning. Detta fungerar inte för så stora joner, dock. Dessutom, dessa stora anjoner har en motsatt laddning till litiumkatjonerna.

För att lösa problemet, Kovalenkos team hade ett trick i rockärmen:forskarna vände upp och ner på principen om litiumjonbatteriet. I konventionella litiumjonbatterier, anoden (den negativa polen) är gjord av grafit, vars skikt (i laddat tillstånd) innehåller litiumjonerna. I Kovalenkos batteri, tvärtom, grafiten används som katod (den positiva polen). De tjocka anjonerna avsätts mellan grafenskikten. I Kovalenkos batteri, anoden är gjord av metall.

Kravchyk gjorde en anmärkningsvärd upptäckt när han letade efter "rätt" grafit:Han fann att avfallsgrafit som produceras vid stålproduktion, kallas "kish grafit", ger ett utmärkt katodmaterial. Naturlig grafit fungerar också lika bra – om den levereras i grova flingor och inte mals för fint eller till vikta, icke-flingor. Anledningen:grafitskikten är öppna vid flingornas kanter och de tjocka anjonerna kan därmed lättare glida in i strukturen. Den finmalda grafiten som normalt används i litiumjonbatterier, dock, är dåligt lämpad för Kovalenkos batteri. Genom att mala grafitpartiklarna, lagren blir skrynkliga som skrynkligt papper. Endast små litiumjoner kan penetrera denna skrynkliga grafit, inte det nya batteriets tjocka anjoner.

Grafitkatodbatteriet konstruerat av stålproduktion "kish graphite" eller rå, naturliga grafitflingor har potential att bli mycket kostnadseffektiva. Och om de första experimenten är något att gå efter, den är också långvarig. I flera månader, ett labbsystem överlevde tusentals laddnings- och urladdningscykler. "Aluminiumklorid-grafitkatodbatteriet skulle kunna hålla i årtionden i dagligt hushållsbruk, " förklarar Kravchyk och lägger till "liknande demonstrationer, men ytterligare ökade batterispänningar, utan att kompromissa med kapaciteten, och ännu lättare element är på väg och kommer att erbjuda ytterligare ökning av energitätheten från nuvarande 60 Wh kg-1 till över 150 Wh kg-1"