Kemisk energilagring En översikt av dagens och framtidens batterier Eleonora Borén, Niclas Ledin, Robert Lindgren Institutionen för tillämpad fysik

Transkript

1 Kemisk energilagring En översikt av dagens och framtidens batterier Eleonora Borén, Niclas Ledin, Robert Lindgren Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet

2 INLEDNING Detta arbete syftar till att skapa en bred översikt över ämnet kemisk energilagring som på ett enkelt, men informativt sätt redogör för ämnet ur energilagringssynpunkt. Detta skall presenteras i en separat resultatdel, där man enkelt skall kunna plocka denna bit ur denna rapport för att kunna, tillsammans med flertalet andra rapporter, kunna sammansätta ett kompendium som täcker hela ämnesområdet energilagringsteknik. METOD Genomförandet av detta arbete har skett genom en bred litteraturstudie över både vetenskapliga artiklar och texter på internet samt i bokform. Resultatet sammansattes i en fristående del, ämnad för att vara en del av ett större kompendium. RESULTAT Resultatet är form av ett kompendie över kemisk energilagring med en inledande bredd översikt samt en fördjupning av batterier (Bilaga A). DISKUSSION Kemisk energilagring är ett stort område och svårt att ge en översiktig bild av. Detta kompendie har syftat till att ge en ämnesbredd samtidigt som det finns en fördjupning av ett antal batterityper. Det finns mycket kvar att nedteckna inom detta område och det det röns ständigt nya framgångar inom forskningen inom batterisidan.. Att rekommendera inför framtiden är att avgränsa sig betydligt strikare inom ett. Därför kan detta kompendie ses som en grund inför fortsatta fördjupning inom området.

3 Kemisk energilagring En översikt av dagens och framtidens batterier Eleonora Borén, Niclas Ledin, Robert Lindgren Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet 3/23/2011 Nykelord Elektrokemi, Blysyra-, Ni-Cd-, Ni-Zn-, Ni-Fe-, Li-jon-, alkaliska batterier, energilagring Sammanfattning Fältet för kemisk energilagring har fått ett kraftigt uppsving i och med lagringsbehovet av vind- och solkraft mellan produktion och konsument. Här ges en översiktlig över kemisk energilagrings med fokus på blysyra, Ni-baserade, Li-jon samt alkaliska batterier. Forskningen inom batterier är intensiv och många miljövänliga och långsiktigt hållbara alternativ är under utveckling.

4 FÖRORD Detta kompendie sammanställt som ett projekt inom kursen Energilagringsteknik, 7.5hp, under våren INLEDNING HISTORIA Den första kända elektrokemiska energilagringen gjordes av Otto Von Guirike år 1663 där han använde sig av en stor glassfär fylld med svavel. Glassfären laddades upp genom friktion. När sfären var fullladdad användes den till elektriska experiment (Winter, 2004). I mitten på 1700-talet upptäckte fransmannen Charles François de Cisternay du Fay att det fanns två typer av laddningar som han kallade vitreous, positiv, elektricitet och resinous, negativ, vilket kallades Two-fluid theory of electricity (Hellborg.R, 2005). Luigi Galvani introducerade elektrokemin till världen där han länkade ihop kemiska reaktioner med elektricitet. Galvani kom fram till att kroppen fungerar med elektriska impulser. Under 1800-talet satte forskningen fart under det elektrokemiska området (Weinberg, 2003). BAKGRUND Kemisk energilagring är ett brett fält med flera olika lagringssystem, gemensamt för alla är att man lagrar energi genom att genomföra olika reversibla kemiska processer. Den tillförda energin kan sedan tas ut genom att låta dessa reaktioner gå tillbaka och avge energi. Med alla processer finns en viss mängd omvandlingsförluster och olika fysiska krav på material etc. Det är bland annat dessa aspekter som påverkar den ekonomiska kostnaden och därigenom dess genomförbarhet. Kemisk energilagring har en fördel i att det är mycket lättare att förvara ämnen i viss kemisk sammansättning över tid än till exempel ren värmelagring. Detta kombinerat med den höga reversibiliteten gör att kemisk energilagring är ett lovande alternativ för energilagring. Forskningen ligger olika långt fram i de olika kemiska energilagringsteknikerna. Generellt sätt handlar forskningen om att anpassa processerna efter ett bredare temperaturintervall, skapa effektiva katalysatorer för att öka verkningsgraden, samt anpassa dessa efter de kommersiella behoven (Dincer, 2011). Kemisk energilagring är ett väldigt brett fält inom vilket batterier står för en betydande del. Dock finns det andra mer eller mindre aktuella områden, däribland kemisk värmepump och vätgasproduktion vilka introduceras i korthet. Ytterligare djup riktas på området batterier och dess utveckling.

5 KEMISK VÄRMEPUMPSLAGRING Denna lagringsmetod använder man sig av reversibla kemiska processer för att lagra energi i två olika temperaturnivåer. Metoden har gjort framsteg på senare år framförallt för den höga nivån av reversibilitet samt höga energitäthet. Fler fördelar är att man kan skräddarsy de operativa temperaturintervallen med rätt val av reaktanter. Att binda energi i kemisk form ger också bra möjligheter till att lagra energi över en längre tid. Grunden i denna form av energilagring, ges av en endoterm reaktion (Ekv 1). A + B C + värme (1) Ett exempel är hydrering samt dehydrering av magnesiumoxid, MgO (s), och vatten (Ekv. 2): MgO (s) + H 2 O (g) Mg(OH) 2 (s) + värme (2) Vid energilagring tillför man värme till magnesiumdihydroxiden, Mg(OH) 2 (s), d.v.s. man driver reaktionen åt vänster. Vid utvinning av värme låter man reaktionen då gå åt höger (Yukikata.K, 2005). Vid energilagring via en kemisk värmepump jobbar man med två stycken tankar, en hög temperatur och med lägre, innehållande reaktanter respektive produkter. I ovanstående exempel låter man vattenånga kondensera till flytande fas och tar ut värme från denna reaktion (Fig. 1). På så sätt får man vattnet till en fas med högre energitäthet och som tar mycket mindre volym. FIGUR 1 KEMISK VÄRMEPUMP. BILDEN ÄR MODIFIERAD EFTER (YUKIKATA.K, 2005) Det pågår mycket forskning kring detta energilagringssystem, men det finns fortfarande vissa hinder. Denna teknik ställer höga krav på tankarna och dess reglerssystem. Dessutom söker man efter effektivare katalysatorer för att förbättra

6 verkningsgraden (Wongsuwan.W, 2001). Däremot finns det flera fördelar som gör det troligt att man kommer att se en större användning i framtiden. Dessa är bland annat teknikens höga energitäthet, effektiva långtidsförvaring och breda möjliga temperaturintervall, vilket skulle kunna bana väg för en möjlighet att överföra termisk energi via möjligheten att koppla loss ena tanken och transportera denna via tåg etc. till eventuella konsumenter (Wongsuwan.W, 2001). BIOKEMISK ENERGILAGRING Väte är den lättaste kemiska formen att lagra energi i och produceras antingen elektroeller termokemiskt för att användas som bränsle. Att producera väte via solenergi bedöms ekonomiskt oförenligt med dagens teknik, då istället väte produceras via kemiska tekniker (Dincer, 2011). Väte produceras idag främst från fossila bränslen eller ångreformering från metan eller naturgaser men även från elektrolys av vatten (Bertrand, 2008) (Dincer, 2011). En stor potentiell marknad för att producera miljömässigt såväl som ekonomiskt väte är genom biologisk vätgasproduktion. Vätgasproduktion från mikrooganismer kan ske med foto- eller mörkfermentering. Fotofermentering är en ljuskrävande process vilket involverar fotosyntesen för energi, medan mörk fermentering inte kräver ljus men ett organiskt substrat som energi. Forskning sker även för att kunna använda en kombination av dem. De enzymer som finns i mikroorganismer som producerar väte tillhör Fe-hydrogenase och NiFe-hydrogenaser vilket omvandlar protoner till vätgas (Ekv. 3) (Hallenbeck.P.C, 2002). 2H + + 2e - H 2 (3) En intressant studie på exergiförluster vid biologisk vätgasproduktion visar på en exergiförlust på 8-15% om återföring av ånga och värme finns (Bertrand, 2008). Att lagra energi i form av väte är ett forskningsintensivt område, där många potentiella slutanvändningsområden så som bränsleceller, förbränningsmotorer eller för transport. Väte har ibland ansetts vara överlägset elektricitet sett till dess lagrings- och transportegenskaper (Dincer, 2011). ELEKTROKEMI Elektrokemi beskriver hur elektroner förflyttar sig mellan olika material så som metaller och elektrolyter. I ett galvaniskt element sker en spontan elektrokemisk reaktion där en elektron överförs från ett högre energitillstånd (anod) till ett lägre (katod). Ju större skillnad i energitillstånd hos de båda materialen desto högre spänning kan man få ut av en cell. Denna spänning kallas för cellens elektromotoriska kraft (EMK) och betecknas E cell (Winter, 2004). Olika grundämnen genererar olika potential när de oxideras och reduceras, vilket utnyttjas i batterier (Fig. 2). Värt att notera är att väte är valt som referensnivå vilket är en satt standard i kemivärlden.

7 FIGUR 2 - ELEKTRODPOTENTIALEN FÖR OLIKA REAKTIONER. (2 B., 2006). I en galvanisk cell med Zink, Zn, och koppar, Cu, som anod- respektive katodelektrod måste en lösning med Zn 2+ joner tillsättas och på katodsidan måste en lösning med Cu 2+ joner tillsättas (Fig. 2, 3). Mellan elektrod och lösning kommer en potentialdifferens att uppstå, denna skillnad kallas för halvcellens elektrodpotential och betecknas som E anod eller E katod beroende på om det är en oxidation eller en reduktion (Presentation av Malm). FIGUR 3 - SCHEMATISK BILD AV EN GALVANISK CELL. (PRESENTATION AV LINDHOLM-SETHSSON)

8 Elektrodpotentialen mellan kopparelektroden och Cu 2+ lösningen är +0,34V och mellan zinkelektroden och Zn 2+ lösningen -0,76V (Fig 2). Reaktionen som sker i vardera halvcell i anod och katod är (Ekv 4,5): Zn 2+(aq) + 2e - Zn (s) E anod = -0,74V (4) Cu 2+(aq) + 2e - Cu (s) E katod = 0,34V (5) Den totala reaktionen som sker i hela cellen blir då (Ekv. 6): Zn (s) + Cu 2+(aq) Cu (s) + Zn 2+(aq) (6) Den elektromotoriska kraften, E, kan beräknas som differensen mellan elektrodpotentialen hos anoden och katoden ger (Ekv. 7): E cell = E anod -E katod = 0,34 - (-0,76) = 1,1V (7) Detta beskriver hur man teoretiskt kan bestämma spänningen hos en galvanisk cell. För att få högre spänning kan flera celler seriekopplas med varandra. I verkligheten kommer den teoretiska polspänningen att minska när en ström börjar flöda mellan polerna på grund av ett flertal olika begränsande faktorer. De tre största faktorerna som påverkar strömmen är: 1. Elektrodernas kontaktyta Desto större yta, desto mer lösning kan reagera med elektroden. 2. Kinetik, reaktionshastighet Om lösningen snabbt kan reagera med elektroden kan fler elektroner transporteras per tidsenhet. 3. Masstransport När lösningen har reagerat med elektroden kommer den isolera elektroden därför är det viktigt att den förflyttas så att ny lösning kan komma i kontakt med elektroden, och på så sätt avge elektroner. Det finns inget teoretiskt sätt att bestämma hur mycket ström som kan erhållas från en galvanisk cell. Däremot kan man ta fram experimentell data över hur spänningen påverkas beroende på strömmen och på så sätt erhålla den maximala strömmen som kan utvinnas från den galvaniska cellen utan att tappa all spänning (Fig 4). (Presentation av Lindholm-Sethsson). FIGUR 4 - CELLSPÄNNING HOS EN GALVANISK CELL SOM FUNKTION AV STRÖM. (PRESENTATION AV LINDHOLM-SETHSSON)

9 Vid låg ström sker ett spänningsfall på grund av långsam kinetik mellan lösning och elektrod. Vid högre ström sjunker spänningen successivt, vilket beror på masstransporten av lösningen till och från elektroden samt långsam kinetik. Vid mycket hög ström sjunker spänningen drastiskt, på grund av att reaktionsytan hos elektroderna inte räcker till för att lösningen ska kunna avge och ta upp elektroner tillräckligt snabbt (Presentation av Lindholm-Sethsson). Ett batteris prestanda ges som funktion av tiden (Fig. 5). Beroende på last, kommer spänningsfallets kurva att variera. Vid urladdning är det fördelaktigt att ha en jämn spänningskurva för att kunna leverera en jämn prestanda. FIGUR 5 SPÄNNING SOM FUNKTION AV TIDEN FÖR OLIKA LASTER. (DATABLAD) Alla batterier bygger på redox-reaktioner där två eller flera halvceller är sammankopplade, en reducerande och en oxiderande del. När man arbetar med kemisk energilagring är det viktigt att förstå den grundläggande elektrokemin för galvaniska celler. NICKELBASERADE BATTERIER Nickelbaserade batterier är återuppladdningsbara som utvecklades i början 1900-talet och återfinns i allt från industrin till hushållet (Shukla. A.K, 2001). Nickelbaserade batterier finns i flera olika utföranden. Ni Fe är ett tåligt batteri med hög livslängd och hållbarhet. Nackdelen är dess låga energitäthet, självurladdningsförmåga och funktionalitet vid låga temperaturer (Linden. D, 2001). Ni Cd är ett batteri med högt livscykelantal, underhållsfritt och håller en konstant spänning under hela urladdningsfasen, vilket är åtråvärt (Linden. D, 2001). Ni-Cd fungerar även vid låga temperaturer (Morrow, 1999) Ni Zn är ett batteri med hög energitäthet, ungefär dubbelt mot för Ni-Cd (Linden. D, 2001).

10 TEORI OCH FUNKTIONSSÄTT Alla nickel-metall batterier är återuppladdningsbara och alkaliska batterier, där de har en nickeloxid som anod och en alkalisk lösning som elektrolyt (Shukla. A.K, 2001) (Linden. D, 2001). Genom att det endast är syre och hydroxidjoner som rör sig mellan elektroden, vilket i motsats till ett bly-syra batteri inte leder till att elektrolyten förbrukas under urladdningen och därmed spänningsfall förrän batteriet är urladdat (Linden. D, 2001). NI-FE Vid katoden kommer nickeloxidhydroxid, NiO(OH) att reagera med vatten och bilda nickeldihydroxid, Ni(OH) 2, (Ekv. 8) medan vid anoden kommer järn, Fe, reagera med hydroxidjonerna som bildas vid katodreaktionen och bilda järndihydroxid, Fe(OH) 2, (Ekv. 9). Elektrolyten består av kaliumhydroxidlösning (KOH) (Shukla. A.K, 2001). Katod 2 NiO(OH) (s) + 2 H 2 O 2 Ni(OH) (s) 2 + OH - (8) Anod Fe + 2 OH Fe(OH) e (9) NI-ZN Ni-Zn batterier nyttjar en kaliumhydroxidlösning som elektrolyt (Dincer, 2011) För att öka laddningsmottagningen vid anoden tillsätts litiumhydroxid, LiOH, till elektrolyten, vilket ökar kapaciteten. Vid katoden sker reaktion (Ekv. 10) med nickelhydroxid, Ni(OH) 2, och vid anoden med zink, Zn, (Ekv 11) (Shukla. A.K, 2001). Katod 2 NiO(OH) (s) + 2 H 2 O 2 Ni(OH) (s) 2 + OH - (10) Anod Zn (s) + 4OH - 2- Zn(OH) 4 + 2e - (11) På grund av att zinken omformar sig vid elektroden har dess livscykelantal varit lågt. Genom att tillsätta olika joner till elektroderna samt reducerat elektrolytkoncentrationen har zinkmängden som löses ut minskat med följden att livslängden ökat (Linden. D, 2001). Tillsatser som Ca(OH) 2, Co(OH) 2, and Zn(OH) 2 har alla olika effekter vilket förbättrar batteriet, där Ca + ökar temperaturintervallet, Co + ökar elektrodmaterialanvändningen och Zn + leder till förlängd livslängd (Chen.J, 1999). NI-CD Vid anoden finns kadmium, Cd, (Ekv. 12), och vid katoden nickeloxidelektrod, NiO(OH) (Ekv. 13), elektrolyten är en kaliumhydroxidlösning (Morrow, 1999) (Shukla. A.K, 2001). Katod 2NiO(OH) (s) + 2H 2 O 2 Ni(OH) 2 (s) + OH - (12) Anod Cd + 2OH -- Cd(OH) 2 + 2e - (13)

11 (13) Genom att använda nickelskum eller fiber, kan högre energi- och effekttäthet erhållas (Linden. D, 2001). SYSTEMBETRAKELSER Ni-Zn batteriers nackdel är livslängden på livscykler medan den är tre gånger så stor för Ni-Fe (900) och Zn-Cd kan laddas över 1000 gånger (Dincer, 2011). Överlag har nickelbatterier hög effekttäthet och livscykelantal (Fig 6). FIGUR 6 - JÄMFÖRELSE AV OLIKA NI-BATTERIER MOT ANDRA BATTERITYPER. (LINDEN. D, 2001). APPLIKATIONER OCH INSTALLATIONER Ni-Cd batterier återfinns i flygplan, som batteri i reservsystem och dieselmotorstart. Som energilagringsform förekommer de inom solkraft där de är dyra, men har en lång livslängd (Dincer, 2011). Enligt Raghunathan finns det fyra huvudsakliga batterityper för energilagring av solenergi; Ni-Cd, Ni-metallhybrid, Ni-MH, Li-jon samt bly-syra batterier. Ni-MH är vanlig i el- och hybridbilar. På grund av sin låga energitäthet samt minneseffekt håller Ni-Cd på att utkonkurreras av främst Ni-MH och Li-jonbatterier (Raghunathan, 2005). Som lagringsmedium för vindkraft lyfts Ni-Cd fram tillsammans med bly-syra men även här är de på väg att utkonkurreras av Ni-MH och Li-jon batterier (McDowall, 2006). MILJÖ OCH HÅLLBARHET Nickelbatterier är inte särskilt miljövänlig och främst det toxiska kadmiumbatteriet är på väg att fasas ut. Nackdelen med Ni-Fe är att den kan utveckla vätgas från sin elektrolyt (Dincer, 2011) (Morrow, 1999). Ni-Cd kan i sin tur lätt överhettas. Både Ni och Cd är dyra och snart ändliga resurser. (Dincer, 2011), (Morrow, 1999). Återvinning av batterier är viktigt för att kunna användas som energilagringsmedium framgent och för att skapa en sluten cirkel av materialkonsumtion bland förnyelsebara energikällor. Europas batterimarknad består av 8% av sekundärcell-batterier. Möjligheterna att kunna återvinna har gjort att intresset för Ni-MH har växt stadigt som en ersättare för den toxiska Ni-Cd (Bernardes. A.M, 2004).

12 FRAMTIDA TRENDER OCH POTENTIAL Ni-MH batterier är under konstant utveckling, då det har flera fördelar gentemot Ni- Cd kapacitetsmässigt såväl som miljömässigt (Shukla. A.K, 2001). Batteriet håller snabbt på att vinna mark inom energilagringsområden för förnyelsebar energi inom solenergi och vindkraft (McDowall, 2006) (Raghunathan, 2005). BLY-SYRA BATTERIER Bly-syra är det vanligaste batteritypen idag och används huvudsakligen som bilbatteri. Det anses vara det mest ekonomiskt fördelaktiga batteriet som finns på marknaden sett till dess livscykellängd (Dincer, 2011). TEORI OCH FUNKTIONSSÄTT I bly-syra batterier är elektroderna uppbyggda av en katod av blydioxid, PbO 2, respektive en anod av bly (Fig. 7). Elektrolyten av svavelsyra, H 2 SO 4, reagerar med blyelektroden vilket bildar blysulfat på elektroderna (Ekv. 14) (Dincer, 2011). PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 2 + 2H 2 O (14) FIGUR 7 - SCHEMATISK BILD AV CELL I BLY-SYRA BATTERI. (OXFORD CHEMISTRY). SYSTEMBETRAKTELSER Batteriet består av flera sammankopplade celler om vardera 2V och återfinns i 6, 8 och 12V (Fogiel.M, 2002, Dincer, 2011). Den specifika energin (Wh/kg) i ett batteri är ett mått på energilagringskapaciteten per vikt, vilket är högst för 6V, men på bekostnad av dess prestanda (Dincer, 2011). APPLIKATIONER OCH INSTALLATIONER Ett användningsområde för bly-syra batterier med vätskefyllda celler är för lagring av solenergi. Traditionella bly-syra batterier i t.ex. bilar är inte konstruerade att genomgå djupa urladdningscyklar, något som krävs för laddning av energi från sol- eller vindkraft (Dincer, 2011).

13 Vid lagring av energi från solceller används bly-syra eller Ni-Cd batterier. Då dessa system behöver ha djupa laddningscykler, utgör det en begränsande faktor för batteriernas hållbarhet vilket utgör en stor kostnad för hela systemet. Beroende på hur batteriet urladdas kommer olika faktorer att begränsa livslängden, där upprepande djup urladdning begränsas av antalet möjliga livscykler, lågfrekvent djup urladdning begränsas av korrosionsproblem samt om ingen djup urladdning förekommer är begränsningen deras livslängd vid fulladdat tillstånd (Celik, 2008). I Kina pågår två stora regeringsinitierade solcell- och vindkraftprojekt, där huvudsakliga energilagringen ska ske i form av bly-syrabatterier. I Kina producerades under ,5 miljoner bly-syra batterier, där 5 % var avsedda för energilagrings från sol och vindkraft. År 2006 utgjorde Kina 10 % av världens samlade solcellsproduktionen och med högsta effekt. Även på vindkraftområdet står Kina högt, 2007 rankades de som den femte största vindkraftproducenten i världen (Changa.Y, 2009). FIGUR 8 - KINAS ANDEL AV BLY-SYRA BATTERIER FÖR ENERGILAGRINGSTEKNIK VAR 5% (CHANGA.Y, 2009). FRAMTIDA TRENDER OCH POTENTIAL Ett annat bly-syrabatteri under utveckling använder en teknik där elektroderna vävs in i blyklätt fiberglas. Denna patenterade teknik av Electrosource, ger bättre specifik energi, densitet och kraft och förlänger antalet livscykler samtidigt som laddningstiden minskar (Dincer, 2011). Många batterier består av en legering med antimon i elektrolyterna för att erhålla tillräcklig formbarhet (Fogiel.M, 2002). Men antimonegenskaper leder även till spontanurladdning av batteriet och minskad kapacitet från katoden, medan om man minskar dess förekomst leder det till minskad kapacitet vid anoden. Försök att ersätta metallen med andra grundämnen har gjorts med nya problemställningar som resultat. Genom att tillsätta reagens till elektrolyten har framgång rönts med minskad korrosion som resultat. Genom att tillsätta en saltlösning i elektrolyten leder detta till en ökad väte och syre utveckling. Dessutom leder det till mindre kristallstrukturer av PbSO 4 på elektroderna samt en ökad reversibilitet av PbSO 4 till PbO 2 (Rezaei.B, 2011).

14 Livslängden av ett bly-syrabatteri är alltför kort för att kunna användas inom tekniken framgent, på grund av korrosion på elektroderna. För att undkomma detta fenomen har ett Na-S batteri med flytande elektroder utvecklats, vilket visserligen förlänger antalet livscykler men på bekostnad av andra positiva egenskaper. Batteriet är dyrt och kräver höga temperaturer ( C) (Dincer, 2011). Bly-syra batterier är använda inom energilagringsteknik inom solenergi och vindkraft men håller snabbt på att konkurreras ut av andra modeller. ALKALISKA BATTERIER Det alkaliska batteriet är det absolut vanligaste batteriet på den kommersiella marknaden för mindre krävande elektriska apparater (Fig. 9). Batteriets elektroder består av mangan och zink, och dess namngivande alkaliska elektrolyt består vanligen av kaliumhydroxid. FIGUR 9 TYPISKA ALKALISKA BATTERIER, (9. B) Det alkaliska mangandioxidbatteriet introducerades till marknaden under tidigt tal och håller även nu en stark position på marknaden. Teoretiskt sett har batteriet högre kapacitet än både Leclanché och zink-kolceller av liknande storlek. Anledningen till detta är främst på grund av den högre renheten och aktiviteten hos mangandioxiden, samt den täta katoden tillsammans med elektrolyten. Ett alkaliskt batteri håller initialt 1.5 V och fungerar upp till 55 C. Det alkaliska batteriet har gått igenom mycket utveckling under åren och har effektiviserats så pass att dagens batterier är 60 % mer kraftfulla idag än på 60-talet (Batteriföreningen). Det har utöver detta framtagits flera olika former och modeller som de vanligaste cylindriska till knappbatterier. Dessutom har man lyckats kringgå behovet av det tidigare använda kvicksilvret. Detta har lett till att de alkaliska batterierna innehåller relativt säkra och ofarliga ämnen (House of Batteries).

15 TEORI Det alkaliska batteriet innehåller elektrolytiskt tillverkad mangandioxid och en alkalisklösning som elektrolyt, typiskt kaliumhydroxid, likväl som zinkpulver (Fig 10). Elektrolytisk mangandioxid är både mer ren och mer reaktiv än typisk mangandioxid. Elektrolyten är kaustisk och minskar bildningen av vätgas (Batteriföreningen). Katoden består av mangandioxid och kol, med eller utan tillsatt vatten eller en elektrolytisk lösning, vilket skapar oxidationen. Kol tillsätts i katoden för att öka den elektriska ledningsförmågan. Anoden innehåller zinkpulver, vilket man lätt kan få väldigt ren, samt ämnen tillsatta för att få en gel-liknandekonsistens, vilket ökar FIGUR 10 SCHEMATISK BILD ÖVER ETT ALKALISKT BATTERI, (BATTERIFÖRENINGEN) ledningsförmågan. Genom att oxidera zink i pulverformen, vilket har en stor yta per massa förhållande erhålls nära 100 % oxidation vid total urladdning. (Batteriföreningen). FÖRDELAR MED ALKALISKA BATTERIER + Batteriet har ungefär fyra gånger större kapacitet än uppladdningsbara Ni-Cdeller Ni-MHbatterier av motsvarande storlek. + Det har fyra till nio gånger så lång livslängd än motsvarande Leclanché-cell. + Kapaciteten är nära konstant över en vid bredd av urladdningsströmmar. + Passar även för applikationer med hög urladdningsström. + Låg självurladdning. + Relativt bra prestanda i låga temperaturer. + Har den största bredden av format av alla batterier, inklusive AAA, AA, C, D. + Passar till ett stort utbud av kommersiella applikationer. + Innehåller inga giftiga ämnen (MPowerUk). NACKDELAR MED ALKALISKA BATTERIER - Högre kostnad än motsvarande zink-kol- eller Leclanché-celler. - Vanligtvis inte laddningsbara. - 25% tyngre än Leclanché-celler. - Uppladdningsbara alkaliska batterier klarar relativt få uppladdningscykler och finns bara i AA- och AAA-format (MPowerUk).

16 LITIUM-JON BATTERIER Ni-Cdbatterier har länge varit den enda lämpliga batteritypen för bärbar krävande utrustning såsom mobiltelefoner och bärbara datorer. På senare tid har däremot litium-jonbatterier, Li-jon, vuxit sig allt bättre och är numera det snabbast växande batteriet på den kommersiella marknaden. Energitätheten i ett Li-jon är ungefär dubbelt så stor som ett standardbatteri av typen, Ni-Cd, och det finns potential för högre nivåer. Urladdningsegenskaperna hos ett Lijonbatteri är väldigt likt det i ett Ni-Cd. Li-jonbatterier har också en hög spänningsnivå per cell och kan med en 3.6 volts cell driva en mobiltelefon, där ett nickelbatteri skulle kräva tre seriekopplade 1.2 volts celler. Detta innebär alltså att man kan göra batterierna mindre, något som är väldigt viktigt på den kommersiella marknaden där storleken är av stor vikt, t.ex. i mobiltelefoner (HowStuffWorks). Li-jonbatterier kräver lite underhåll och batteritypen har ingen minneseffekt, laddningskapaciteten inte minskar efter upprepad urladdning. Andra fördelar är att självurladdningen är ungefär hälften den i nickelbatterier, samt att de inte innehåller särskilt farliga ämnen (Battery University). TEORI Katoden består av en litium-metalloxid och anoden består av kol. Separatorn består av en mikroperforerad plastfilm som tillåter Li-joner att passera. Vid urladdning sker en oxidation vid anoden, varvid en reduktion sker vid katoden (Fig 11). Detta medför att en elektrisk ström uppstår emellan (Battery University). FIGUR 31 SCHEMATISK BILD ÖVER LI-JONBATTERÍET, (BATTERY UNIVERSITY)

17 Egenskaperna för att uppnå en hög kapacitet och kraftutbyte i batterier ligger främst valet av katodmaterial. De senaste tio åren har Li-jonbatterierna karaktäriserats och kategoriserats efter just sin katod (HowStuffWorks), vilket gett ett mått på de specifika egenskaperna. En del vanliga material i katoderna är: Litiumkoboltoxid - LiCoO 2 Litiummanganoxid LiMn 2 O 4 Litiumjärnfosfat LiFePO 4 Blandning av Litium nickel mangan koboltoxid (NMC) Blandning av Litium nickel kobolt aluminiumoxid (NCA) Av dessa är LiCoO 2 och NMC av intresse att studera närmare då de är vanligt förekommande. LITIUMKOBOLTOXID - LICOO 2 LiCoO 2 är det vanligaste kommersiella batteriet. Batteriets höga specifika energi tillhandahåller tillräcklig driftstid för mobiltelefoner, bärbara datorer och kameror. Battericellen består av en katod av koboltoxid och en anod av grafitkol. Katodens struktur består av lager av koboltoxid (Fig 12). FIGUR 12 STRUKTUR LICOO 2, (BATTERY UNIVERSITY) Nackdelar med LiCoO 2 är dess relativt korta livslängd och begränsade laddningsegenskaper (Fig. 13). Det krävs också strikt kontrollerad laddning/urladdning då högre laddnings/urladdningsström kan överhetta battericellen eller på andra sätt degenerera katoden. Detta medför vissa begränsningar på batteriet och ställer vissa krav på systemet kring batteriet (Battery University).

18 FIGUR 13 PRESTANDA LICOO2. BATTERIET HAR EN HÖG SPECIFIK ENERGI PÅ BEKOSTNAD AV DESS LIVSLÄNGD OCH SÄKERHET. (BATTERY UNIVERSITY) LITIUM NICKEL MANGAN KOBOLT OXID (NMC) I denna batterityp består katoden av en blandning av nickel, mangan och kobolt, förkortat, NMC. I likhet med en mangankatod kan NMC skräddarsys för att antingen erhålla en hög specifik energi eller en hög specifik effekt, men inte båda samtidigt (Fig. 14). Detta erhålls genom blandningen av nickel och mangan då man får ut de det bästa egenskaperna av de båda ämnena vad gäller specifik energi och låg inre resistans betraktat. Katoden består av cirka en tredjedel nickel, mangan resp. kobolt, balansen däremellan är viktigt men exakta komposition är välskyddad av tillverkarna. Resultatet är dock detsamma, med NMC får man prestanda, livslängd och kostnad väl lämpad för motordrivna verktyg och fordons drivlinor. NMC konkurrenskraft kommer just från att den kan anpassas efter systemet och har högre säkerhet och prestanda än t.ex. LiCoO 2 batterier (Battery University). FIGUR 14 PRESTANDA NMC. BATTERIET HAR HÖG SPECIFIK ENERGI OCH BRA ÖVRIGA EGENSKAPER (BATTERY UNIVERSITY)

19 FORSKNING OCH UTVECKLING I takt med att fossila bränslen minskar ökar kraftansträngningen för att utveckla förnyelsebara energikällor så som sol- och vindkraft. Energiproduktionen är dock fluktuerande och står inte i direkt proportion till konsumtion, således behövs ett energilagringsmedium (McDowall, 2006). Solkraft från solceller, är på frammarsch och skulle kunna stå för upp till 1500 TW årligen (Lewis), vilket kan jämföras med ett predikterat energibehov behov på 20 TW år 2030 (International Energy Outlook 2009, 2009). Det forskas intensivt för att förbättra egenskaper på redan existerande batterityper och vidareutveckla dess till miljövänliga och högpresterande energilagringsmedium. Dock pågår även forskning på helt nya batterityper, som är organiskt baserade. METALLBASERADE BATTERIER Flera alternativ till lagringsmedium finns, bly/syra, Ni-cd och Ni-MH och Li-jon där Li-jon och Ni-MH lyfts fram som framtidskandidat inom solenergi och vindenergi. Li-batterier har en hög energitäthet men en låg effekttäthet, något som kommer behöva utvecklas mer främst dess förmåga att klara djupurladdning (Divya.C.K, 2009). Det är svårt att hitta en elektrolyt som fungerar stabilt med en Li-anod. (Moganty.S.S, 2010)) (Orilall.C.M, 2011). En del nya batterityper som flödande vanadium redoxbatterier kommer utgöra en konkurrent till främst bly-syra batterierna. Flödande batterier har lång lagringstid och självurladdande men är dyra i drift (Divya.C.K, 2009). Batterier som är under utveckling är främst hög temperatursbatteriet Li-Fe sulfid, men livslängden är ännu låg. Även det billiga hög effekttäta Li-polymer batterier har rönt intresse (Morrow, 1999). ORGANISKT BASERADE BATTERIER Bio-elektrokemiska batterier utgör ett intensivt forskningsområde med mycket potential. Däribland utgör mikrobiella bränsleceller ett stort område, mikroorganismer omvandlar kemisk- till elektriskenergi. Algbaserade batterier, är under utveckling vid Uppsala universitet. Där används istället cellulosamaterial tillverkat av grönalgen Cladphora som dopats i kloridjoner (Mihranyan, 2011). Genom att täcka cellulosan med ett tunt polypyrrolelager, 50 nm, erhålls ett material vilket kan användas för elektrokemiskt jonbyte, ett slags lågviktsbatteri (Mihranyan.A, 2008). Mikrobiella bränsleceller (Microbial Fuel Cells, MFC,) är ett annat forskningsområde under utveckling, där elektrisk energi skapas av mikroorganismer från kemisk energi. Det finns mycket potentiell energi att utvinna ur växter, så som biobränslen men detta väcker en känslig fråga om utnyttjande av markareal för bränsle kontra grödor. Ett område som inte berörs av konkurrensfrågan är växt mikrobiella bränsleceller. Växter släpper

20 rhizodeposits, organiska ämnen via rötterna så som kolhydrater, socker, etylen och koldioxid. Bakteria kan interagera med växternas rötter vilket generar en positiv effekt för båda två. Bakterian kan då tillgodogöra sig rhizodepositerna som substrat och utsöndrar elektroner vilket i bränslecellen kan vandra till anoden (Fig. 15). På grund av en potentialskillnaden vandrar elektronerna till katoden genom lasten och fungerar då som ett batteri. Systemet är väldigt lågeffektivt, med en beräknad effekt på 5800 kwh/ ha år. Systemet skulle kunna användas i stora våtmarksanläggningar i framtiden (Strik. D. P. B. T. B, 2008). FIGUR 45 VÄXT-MIKROBIELL BRÄNSLECELL, (STRIK. D. P. B. T. B, 2008). MIKROBIELLA ELEKTROLYSCELLER Mikrobiell elektrolysceller fungerar som en omvänd mikrobiell bränslecell där elektricitet tillförs bakterian och väte bildas. I anoddelen förbrukar mikroorganismerna det organiska substratet och utsöndrar protoner och koldioxid till lösningen och elektroner till anoden. Protonerna vandrar genom ett katjonmembran och genom att tillsätta en spänning kommer protoner att reduceras till vätgas (Fig. 16) (Logan, o.a., 2006). Processutbytet av väte är nästan helt utan förluster och mycket mer effektivt än väteproduktion av vattenelektrolys (Logan, o.a., 2008).

21 FIGUR 16 SCHEMATISK BILD ÖVER MIKROBIELL CELL, (DAILYTECH) Sammanfattningsvis finns det stora upptäckter kvar att göra inom det kemiska energilagringsområdet där trenden går mot miljövänligare, hållbara energilagingsmedium. SAMMANFATTNING Som energilagring betraktat så passar batterier av olika typer bäst för småskalig lagring av energi samt för kompakt portabel lagring till konsumentmarknaden. Batterier tjänar inte nämnvärt på en uppskalning av cellen som en ackumulatortank gör, där materialkostnaden per lagrad energienhet blir mindre (Battery University). Detta kombinerat med höga materialkostnader och kort livslängd och till viss del begränsad uppladdningsbarhet gör att batterier inte betalar av sig som större system (Dincer, 2011). Där kemisk/elektrisk energilagring kommer till fördel är främst vid lagring där man vill förflytta lagret eller vill ha ett kompakt lager av elektrisk energi som snabbt kan startas och stoppas för att möta relativt låga plötsliga behov. Utveckling sker konstant för att utveckla batterier med mer återvinningsbara, säkra och miljövänliga material. Dessutom är ökat antal uppladdningscykler åtråvärt då det minskar materialbehovet nämnvärt samt ger flera andra fördelar inom energilagringssystem. I nuläget finns det inga optimala sätt att återutvinna materialen i batterierna (Bernardes. A.M, 2004). Det finns mycket utvecklingsmöjligheter inom batteriområdet och utveckling har gått framåt. Däremot får batterierna i stor mån betraktas som ett förbrukningsbart system tills vidare.

22 REFERENSER 2, B. (2006). /redox/srptable.jpg&imgrefurl= index.html&usg= Gvl1- QWgzGuOm10jCVR0OJsR7Xs=&h=1200&w=1467&sz=227&hl=sv&start=0&sig2=BfcTc. Hämtat den B. (u.d.). Hämtat från Batteriföreningen. (u.d.). Hämtat från Battery University. (u.d.). Hämtat från e Battery University. (u.d.). Hämtat från Bernardes. A.M, E. D. (2004). Recycling of batteries: a review of current processes and technologies. Journal of Power Sources, 130: Bertrand, B. (2008). 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. Elservier B.V. Celik, A. N. (2008). Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage. PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, 16: Changa.Y, M. Z. (2009). Lead-acid battery use in the development of renewable energy systems in China. Journal of Power Sources, 191: Chen.J, B. D. (1999). Nickel Hydroxide as an Active Material for the Positive Electrode in Rechargeable Alkaline Batteries. Corke.P, V. S. (2007). Long-Duration Solar-powered Wireless Sensor Networks. Proceeding EmNets '07 Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors ACM. Dailytech. (u.d.). Hämtat från Datablad. (u.d.). Hämtat från den Dincer, I. R. (2011). Thermal energy Storage Systems and applications. Canada: Wiley. Divya.C.K, Ø. (2009). Battery energy storage technology for power systems An overview. Electric Power Systems Research, 79: Fogiel.M. (2002). Basic electricity. Research & Education Association,Staff of Research Education Association,U S Naval Personnel. Hallenbeck.P.C, B. (2002). Biological hydrogen production; fundamentals and limiting processes. International Journal of Hydrogen Energy, 27: Hellborg.R. (2005). Electrostatic accelerators: fundamentals and applications. Springer-verlag. House of Batteries. (u.d.). Hämtat från HowStuffWorks. (u.d.). Hämtat från International Energy Outlook (2009). Energy Information Administration. Washingston, DC, USA: Department of Energy. Lewis, N. (u.d.). California Institute of Technology. (D. o. Engineering, Producent) Hämtat från files/energy6.pdf Linden. D, R. T. (2001). Handbook of batteries 3:d ed. McGraw-HIll. Logan, B. E., Aelterman, P., Hamelers, B., Rozendal, R., Schro der, U., Keller, J., o.a. (2006). Microbial fuel cells: methodology and technology. Environ. Sci. Technol., 40, Logan, B. E., Call, D., Cheng, S., Hamelers, H. V., Sleutels, T. H., Jeremiasse, A. W., o.a. (2008). Microbial Electrolysis Cells for High Yield Hydrogen Gas Production from Organic Matter. Environ. Sci. Technol., 42: McDowall, J. (2006). Integrating energy storage with wind power in weak electricity grids. Journal of Power Sources, 162:

23 Mihranyan, A. (2011). Cellulose from Cladophorales Green Algae: From Environmental Problem to High-Tech Composite Materials. Journal ofappliedpolymer Science, 119: Mihranyan.A, N. L. (2008). A Novel High Specific Surface Area Conducting Paper Material Composed of Polypyrrole and Cladophora Cellulose. J. Phys. Chem. B 2008,, 112: Miyake.J, I. R. (u.d.). Biohydrogen III: renewable energy system by biological solar energy conversion (Vol. 2004). London: Elsevier Ltd. Moganty.S.S, J. N. (2010). Ionic-Liquid-Tethered Nanoparticles: Hybrid Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed, 49: Morrow, R. (1999). Wireless network exixtence (Vol. 2). McGrw-Hill. MPowerUk. (u.d.). Hämtat från Orilall.C.M, W. (2011). Block copolymer based composition and morphology control in nanostructured hybrid materials for energy conversion and storage: solar cells, batteries, and fuel cellsw. Chem. Soc. Rev, 40: Oxford Chemistry. (u.d.). Hämtat från d-acid-accumulator.1.jpg Presentation av Lindholm-Sethsson, B. (u.d.). (7. Presenation från kursen Batterier och bränsleceller, Producent) Hämtat från b76b-42af-8573-e9249c3ac4a5/lecture%20notes/batterier-07.pdf. Presentation av Malm, J. (u.d.). Hämtat från den Raghunathan, V. e. (2005). Design Considerations for Solar Energy Harvesting Wireless Embedded Systems. Proceeding IPSN '05 Proceedings of the 4th international symposium on Information processing in sensor networks IEEE. Rezaei.B, H. H. (2011). Influence of acidic ionic liquids as an electrolyte additive on the electrochemical and corrosion behaviors of lead-acid battery. J Solid State Electrochem, 15: Shukla. A.K, V. H. (2001). Nickel-based rechargeable batteries. Journal of Power Sources, 100 : Strik. D. P. B. T. B, H. (. (2008). Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH, 32: Weinberg, S. (2003). The discovery of subatomic particles. The press syndicate of the University of Cambridge. Winter, M. B. (2004). What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? Chem. Rev., 104: Wongsuwan.W, K. N. (2001). A review of chemical heat pump technology and applications. Applied Thermal Engineering, 21: Yukikata.K. (2005). Hämtat från