– Det er ille nok når en mobiltelefon eksploderer, men konsekvensene kan bli mangedoblet når større batterier feiler, skriver Halvor Høen Hval. (Illustrasjonsfoto: Ivan Marjanovic / Shutterstock / NTB scanpix)
– Det er ille nok når en mobiltelefon eksploderer, men konsekvensene kan bli mangedoblet når større batterier feiler, skriver Halvor Høen Hval. (Illustrasjonsfoto: Ivan Marjanovic / Shutterstock / NTB scanpix)

Slik jobber jeg for å gjøre fremtidens oppladbare superbatterier trygge

POPULÆRVITENSKAP: Det er ille nok når en mobiltelefon eksploderer, men konsekvensene kan bli mangedoblet når større batterier feiler.

Publisert

Når jeg forteller folk at jeg jobber med batterier, klager de over hvor ofte de må lade mobilene sine. Som en som tviholder på sin gamle telefon, skjønner jeg det svært godt. I min forskning ser jeg derimot enda litt større på det. Ikke bare på større batterier, men også på det store bildet.

Før sommeren fikk jeg en sønn, og jeg er fortsatt i ekstase over den lille krabaten. Men jeg kjenner også på en bekymring. Ikke nødvendigvis for den verden han skal vokse opp i, men i stor grad for den verden han skal bli gammel i. En verden med mer ekstremvær, økende vannstand og redusert naturmangfold, blant annet som følge av klimaendringer.

Sikkerheten må settes i høysetet

Heldigvis finnes det mer enn nok tilgjengelig fornybar energi i verden fra solstråler alene, til å fase ut bruken av de fossile brenslene som har skapt klimakrisa.

Dessverre er det lettere sagt enn gjort. En elektrifisering av våre største kjøretøy krever bedre batterier. Selv om Norge er et foregangsland når det kommer til bybusser og elektriske ferger med kort transportavstand, er batterirekkevidden for lav til at tungtransport og luftfart kan bli elektrisk med det første.

For å få sterke nok batterier må de bli større, noe som igjen gir et tyngre og mer energikrevende kjøretøy. Kall det gjerne en ond sirkel. Dessuten betyr store og energirike batterier at sikkerheten må settes i høysetet. Det er ille nok når en mobiltelefon eksploderer, men konsekvensene kan bli mangedoblet når større batterier feiler. Dette så vi eksempel på i midten av oktober, hvor brann og eksplosjon i batterirommet på ferga MF «Ytterøyningen» førte til utslipp av ekstremt giftige gasser samt at dekket nå buler oppover.

Jeg forsker på å lage mer energirike batterier uten at det går på bekostning av sikkerheten, og det gjør jeg ved å ta et dypdykk inn i atomenes verden. Jeg ser på «pluss»-sida av batteriet, den positive elektroden. Her stortrives litium-ionene – de simpelthen elsker å være i den positive elektroden. For å utnytte dette, må vi lade batteriet. Det som skjer da, er at litium dyttes over til den negative elektroden – ut av komfortsonen! Deretter kan vi slippe litium fri, og mens den vandrer «hjem» til den positive elektroden, frigjøres energi som kjører bilen din.

(Animasjon: Halvor Høen Hval)

Høy spenning og gassutvikling

Hvordan øker man energien i et batteri? Én måte å gjøre det på er å gjøre det enda mer komfortabelt på «pluss»-sida. Da krever det enda mer energi å dytte litium ut, som betyr at vi trenger høy spenning. Samtidig får du enda mer energi tilbake når du bruker batteriet. Men en konsekvens av høy spenning kan være at det produseres gass.

Hvis det skjer inne i batteriet ditt under bruk, vil trykket øke. Batteriet kan til og med eksplodere.

(Animasjon: Halvor Høen Hval)

Slike batterieksplosjoner vil vi unngå. Derfor studerer jeg disse reaksjonene. Jeg bruker gassproduksjon som en pekepinn på batteriets stabilitet. For eksempel har jeg testet to varianter av samme materiale, der eneste forskjell er temperaturen jeg brukte da jeg laget det. Når jeg lader disse batteriene opp, ser jeg forskjeller. Enkelte gasser produseres tidligere i den ene enn i den andre. Slike oppdagelser kan være verdifulle. Målet er at jeg ved å justere materialet, begrenser gassutviklinga – selv ved høy spenning.

En høyteknologisk Kripos-etterforsker?

Kort tid etter batteriulykka på MF «Ytterøyningen» ble Kripos-etterforskere kobla inn. Når mine metoder blir videreutviklet håper jeg å være som en slags høyteknologisk etterforsker. Istedenfor å se på vrakrester og undersøke ulykken etter det har gått galt, kan jeg undersøke batteriet mens det går galt. Dette kalles operando-studier, og er selvfølgelig veldig utfordrende. Til gjengjeld blir det så mye lettere å konkludere hva som faktisk har skjedd. Bare se for deg hvis det fantes overvåkningskamera på Orderud gård – da hadde vi løst det mysteriet for lenge siden!

Derfor tar jeg øyeblikksbilder mens batteriet brukes, for å forstå mer av hva som skjer på atomnivå. Men hvordan tar jeg bilde av noe som er så smått? For smått er det: Den størrelsesorden jeg studerer er like liten sammenlignet med en bordtennisball, som en bordtennisball er sammenlignet med jordkloden.

Det er med andre ord svært utfordrende å kartlegge hva som skjer, men ved hjelp av røntgenstråler går det – til en viss grad. I hvert fall hvis jeg drar til en synkrotron, som egentlig bare er et fjongt navn på en røntgensmultring større enn en friidrettsbane. Vi har ikke slike i Norge, men forskere med gode idéer og lovende prosjekter kan søke og få tildelt såkalt stråletid. Jeg har vært flere ganger i franske Grenoble, hvor røntgenstrålene er crème de la crème og fører til en fantastisk oppløsning.

Video av røntgenfingeravtrykk

Ved synkrotronen skyter jeg røntgenstråler på batteriet, noe som gir meg et slags fingeravtrykk av materialet. Det kan jeg bruke til å regne meg fram til hvordan atomene sitter i forhold til hverandre.

(Animasjon: Halvor Høen Hval)

Ved å gjøre dette jevnt og trutt mens batteriet brukes, får jeg en serie bilder som viser hva som skjer. Dette blir til en slags video, som kan gi meg masse informasjon – for eksempel ser jeg hvor litium setter seg fast i materialstrukturen mens jeg lader. Og enda verre - hvorfor ikke all litium kommer seg tilbake til den positive elektroden når jeg bruker batteriet. Dette forklarer hvorfor mobilen din og samtlige elbiler bare blir dårligere og dårligere over tid.

Når batteriet blir dårligere, øker samtidig risikoen for uhell ettersom du må kjøre batteriet ditt hardere for å oppnå kapasiteten det en gang hadde.

Ved å kombinere disse røntgeneksperimentene med gassmålinger kan jeg få et mer helhetlig bilde av hva som foregår inne i batteriets mystiske indre. Det er alfa og omega at vi batteriforskere forstår mer om nettopp dette, slik at vi kan gjøre framtidas bærekraftige superbatterier trygge å bruke. Dette blir en viktig brikke på veien mot en grønnere verden for framtidens borgere, inkludert engasjerte klimastreikende ungdommer og min egen lille fullada guttebass.