En uppkopplad värld behöver hållbara energilösningar


När världen går mot mer miljövänliga alternativ och förnyelsebar elproduktion, samtidigt som teknikutveckling och teknikanvändning snurrar på med raketfart så behövs det även miljövänliga alternativ till energilagring.

Som många redan vet så är litiumjonbatteriet om man tittar på hela livscykeln inte särskilt miljövänligt på grund av materialutvinningen, vilket medför att det tar många år innan dagens elbilar har kört ikapp de växthusgasutsläpp som en bensindriven bil släpper ut på samma sträcka.

Figur: Organiskt batteri med en CRP-katod bestående av ett proton trap-material.

I batterigruppen på avdelningen för Nanoteknologi och funktionella material på Ångströmlaboratoriet i Uppsala studeras hur man kan använda organiska material för energilagring. Organiska material kan anpassas för olika applikationer av förnyelsebar energilagring och skulle teoretiskt sett kunna förbrännas utan att ge ett nettoutsläpp av koldioxid.

Grundstrukturen i många av de material som utvecklas bygger på hydrokinonen, då kinoner i många former återfinns som laddningsbärare i naturen, bland annat i växternas fotosyntes. Då de små laddningsbärarna lätt löser sig i vanliga elektrolyter så används ”ledande redoxpolymerer” (kallade CRP). Detta innebär att en laddningsbärare kombineras med en ledande polymer, vilket både hindrar upplösning och underlättar elektrontransporten i materialet.

I denna forskargrupp så utvecklas dels ”vattenbatterier”, med låg energidensitet men som är relativt enkla, miljövänliga och potentiellt billiga att tillverka i större skala, och dels organiska ”högpotentialbatterier”, som kan användas i liknande system som litiumjonbatterier används idag vilket medför en hög energidensitet.

Materialen som utvecklats för att kunna ge batterier med hög potential och hög energidensitet kallas för ”proton trap”-material. Protonfällorna, vilka hindrar att protoner diffunderar iväg då hydrokinonen oxideras, krävs för att hydrokinonen skall behålla sin höga redoxpotential även i icke protonbaserade elektrolyter. De organiska elektrolyterna är ett måste för att få en hög energidensitet i och med det utökade potentialfönstret, då vatten har ett mycket begränsat sådant.

Med organiska material som man kan speciellt anpassa för att matcha en specifik applikation så finns det oändliga möjligheter. Med alla de elektroniska produkter som finns tillgängliga idag så behövs fler och mer anpassade system, för att möta efterfrågan och samtidigt effektivisera användningen av våra begränsade naturresurser som vi ofta tar för givet.

Vem hade till exempel för bara 20 år sedan kunnat förutse att vi inte bara skulle vara uppkopplade till nätet från bärbara gadgets vart vi än gick, utan att även våra hem, bilar och elnät skulle vara det! Det finns många utmaningar och däri många möjligheter och vi hoppas kunna skapa möjligheter för att Sverige skall kunna ta en viktig och ledande roll i den fortsatta utvecklingen av en hållbar energisektor, där även energilagring ingår.

Läs artikeln: The proton trap Technology—toward high potential quinone‐based organic energy storage; Advanced Energy Materials,  (2017). 


Läs mer