Litium-batterier er betydeligt dyrere end alkaliske batterier, men de er allerede uundværlige i det moderne samfund, da de har højere energitæthed, meget længere levetid og tager betydeligt mindre plads. Litium-ion-batterier kan findes i alt fra smartphones, bærbare computere og boremaskiner til elbiler.
Der produceres årligt over 1 mia. Li-ion-celler, men selv om Li-ion-batteriers energitæthed er mere end fordoblet siden introduktionen i 1991, er energibehovet vokset endnu mere. Derfor forsker universiteter, konglomerater og individuelle virksomheder over hele verden i at udvikle næste generation af batterier med endnu højere energitæthed.
Batterier skal matche benzin
"Hvis vi skal reducere brugen af benzindrevne køretøjer, må vi udvikle batteridrevne biler med batterier, hvis energitæthed kan matche benzin"
Seniorforsker Juan Maria García Lastra, DTU Energi
Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har forsket i batterier i mange år, og lektor Juan Maria García Lastra fra Institut for Energikonvertering og -lagring (DTU Energi) har nu fået tildelt 7 mio. kroner af Villum Fonden til forskning i og udvikling af nye materialer til den næste generation af batterier ved hjælp af supercomputere til beregninger og simuleringer.
"Litium-ion-batterier er de nyeste og mest up-to-date batterier, men energitætheden er stadig en størrelsesorden mindre end benzin. Hvis vi skal reducere brugen af benzindrevne køretøjer, må vi udvikle batteridrevne biler med batterier, hvis energitæthed kan matche benzin", forklarer Juan Maria García Lastra.
Metal-luft-batterier (MAB) er lovende kandidater til at overtage efter Li-ion-batterier, men MAB lider af flere store ulemper, der skal løses, før de kan komme på markedet. En væsentlig ulempe er dannelsen af et elektrisk isolerende lag på katoden under afladning af batterierne, hvilket resulterer i et batteris pludselige ”død”, når batteriets elektron-ledningsevne pludselig forsvinder.
"Vi bliver nødt til at forbedre ledningsevnen af det isolerende lag og enten hindre lagets dannelse eller gøre det mindre isolerende, så det lader elektronerne passere igennem", siger Juan Maria García Lastra.
Flere metalliske materialer overvejes som kandidater i projektet “In silico design of efficient materials for next generation batteries (Mat4Bat)”, og de har alle det til fælles, at de har vist sig at være genopladelige, når de anvendes i batterier. Holdet vil fokusere på aluminium, natrium og det velkendte litium.
"Vi har forsket i litium-luft-batterier i tre år, og nu udvider vi forskningen med to nye materialer."
Supercomputere forældes hurtigt
Forskning i ydeevne, levetid, elektrisk ledningsevne og høj energitæthed i metal-luft-batterier kræver en tilbundsgående forståelse af de grundlæggende, fundamentale egenskaber af elektron og ion-ledningsevne helt ned på nanoskala. Aspekter, der trods årtiers forskning af videnskabsfolk over hele verden stadig ikke er forstået tilfredsstillende.
"Vi er nødt til at udvikle helt ny teoretisk viden og gå videre end det kendte og sidste nye, og for at opnå denne nye viden, har vi brug for nye teoretiske modeller. Problemet er, at modellerne er så komplekse, at vi skal bruge supercomputere til at håndtere dem og se, hvad de forudsiger, "siger Juan Maria García Lastra.
De normale forskningsmetoder, hvor man prøver sig frem ud fra eksperimentelle resultater (“trial-and-error”), er alt for langsomme og dyre, hvis DTU-teamet skal finde bæredygtige løsninger. Derfor vil teamet udvikle helt nye algoritmer til supercomputere til at forudsige hvilke potentielle materialer, der kan bruges til næste generation batterier. Det kræver en enorm computerkraft.
"Vi kommer til at gøre nogle meget tunge beregninger. Vi vurderer, at vi får brug for computerkraften i 100 parallelle CPU-processorer i en uge til en enkelt specifik beregning, og selv om vi har adgang til DTU’s Niflheim-supercomputer, er den gradvist ved at blive forældet. Så vi bliver nødt til at opdatere Niflheim med en række af de nyeste CPU- processorer, hvis vi skal gøre de ønskede landvindinger."
Når Juan Maria García Lastra og hans team har identificeret nogle lovende materialer vha. computeren, vil de efterfølgende blive fremstillet og testet i laboratoriet.
Strategier og samarbejdspartnere
Udforskning af ukendte territorier har altid været en tidskrævende proces, og udvikling af nye funktionelle algoritmer til at finde nye materialer til næste generation af batterier med endnu højere energitæthed er ingen lille bedrift. DTU-forskerne er imidlertid forberedt til denne udfordring.
En af strategierne er at afprøve de nye teoretiske værktøjer og modeller på kendte batterisystemer såsom Li-ion-batterier. Det vil også forbedre kendskabet til og forståelsen af eksisterende batteriteknikker og materialer undervejs i projektet. Derudover vil teamet samarbejde med førende grupper indenfor både batteriudvikling og beregningsmæssige simuleringer. Indenfor batteriforskning kommer DTU Energi således til at samarbejde med en af Li-ion-teknologiens grundlæggere, professor M. Stanley Whittingham fra Binghamton University, samt professor Shao-Horn, der er en førende forsker indenfor metal-luft-batterier fra MIT (Massachusetts Insitute of Technology). Dertil kommer et samarbejde med professorerne Ángel Rubio fra Max Planck-instituttet for materialers struktur og dynamik i Hamburg og Stefan Kurth fra det baskiske universitet i Spanien, der begge er ansete forskere inden for modellering og udvikling af nye teoretiske værktøjer.
"Først udvikler vi teoretiske værktøjer og algoritmer og anvender dem på kendte resultater. Derefter vil vi screene alle de forskellige materialer med vores modeller, og i sidste ende bliver vi i stand til at forudsige de mulige materialers egenskaber og teste de lovende materialer i laboratorierne. Det vil tage nogen tid, men jeg er optimistisk", siger lektor Juan Maria García Lastra fra DTU Energi.
Villum Fondens legat er givet til et femårigt projekt. Som led i projektet vil der blive ansat to ph.d.-studerende og to postdocs.