Ny forskning visar att litiumsvavelbatterier är en stark kandidat till rollen som nästa generations energilagringssystem.

Litiumsvavelbatteriet kan lagra två till tre gånger så mycket energi per given vikt jämfört mot dagens litiumjonbatteri. De kan användas vid låga temperaturer och svavel är dessutom en billig och tillgänglig råvara.

The Cockrell School of Engineering vid University of Texas hävdar att man har tagit ett stort kliv framåt för att stabilisera en av de mest utmanande aspekterna för litiumsvavelbatterier. Detta innebär att batteriet kan få fyra gånger så lång livslängd, och därmed har litiumsvavel kommit mycket närmare en kommersialisering.

Litiumsvavelbatterier testas i flygplan

Litiumjonbatteritekniken har haft en fantastisk utveckling. Kapaciteten har ökat från cirka 75 wattimmar per kilo 1990 till 265 wattimmar per kilo (Wh/kg) idag. Detta betyder att den cellspecifika energin på dessa batterier har ökat med ungefär 233 procent på 25 år. Samtidigt har kostnaden för batterierna sjunkit med cirka 14 procent årligen.

Litiumjonbatteriernas kapacitet är dock begränsad, uppskattningsvis som högst 400 Wh/kg. Det här kan jämföras med den faktiska verkningsgraden i jetbränsle som är på cirka 12000 Wh/kg drivmedel. För att uppnå en energidensitet i den klassen behövs ny, ännu inte kommersialiserad, batteriteknik. Det finns flera möjliga alternativ, men litium-svavel- och litium-luftbatterier är två av de mest intressanta kandidaterna. Den faktiska kapaciteten i de förra skattas till 800-1250 Wh/kg och i de senare till 1750 Wh/kg.

Dagens elflyg, med litium-jonbatteriteknik, möjliggör elflyg med upp till fyra passagerare på en sträcka på högst 300 km. En tredubbling av dagens batterikapacitet till cirka 800 kilowattimmar med en effektivitet på 80 procent skulle möjliggöra flygningar på upp till ungefär 1100 kilometer med ett flygplan med 190 passagerare kanske i mitten av detta sekel.

Företaget Bye Aerospace i Englewood, Colorado har byggt ett flygplan som ska testa just litiumsvavelbatterier. Batterierna kommer från brittiska Oxis Energy och levererar en verkningsgrad på över 500 kilowattimmar. Litiumsvavelbatterier har haft problem med energiläckage och överhettning. Oxis har löst detta med en keramisk litium-sulfid och en icke-brandfarlig elektrolyt.

En halverad vikt för systemet innebär att ett mindre flygplan kan öka sin räckvidd med 50 till 100 procent.

– Vi tror att det här utgör den första fasen i elektrifieringen av det kommersiella flyget, och att det i förlängningen kommer att utgöra grunden för elektrifieringen av flygtaxis, säger Oxis Energys vd Huw Hampson Jones i ett uttalande.

Fyra batterier kan ta över tronen från dagens teknik

Dagens litiumjonbatteri är på väg att bli helt dominerande i elfordon. Batteritypen är än så länge beroende av konfliktämnet kobolt, tillverkare som Tesla och Panasonic ska fasa ut ämnet ur produktionen, samtidigt som litium endast utvinns på få platser i världen.

Idag finns fyra batterityper som lovande efterträdare till dagens litiumjonbatteri.

Litiumsvavelbatteri

Litiumsvavelbatterier har en energitäthet som kan bli två till tre gånger så stor som hos litiumjonbatterierna. Råvarorna är billiga och tekniken har god säkerhet och är möjlig att använda vid låga temperaturer.

Natriumjonbatteri

Natriumjonbatteriet liknar litium kemiskt, men är mycket billigare och mer miljövänligt att framställa. Natrium är också mer vanligt förekommande än litium. Natriumjonbatterier kan driva bilar och cyklar. Batteriet har en prestanda som liknar litiumjonbatteri och samtidigt säkrare och 30 procent billigare. Denna teknik håller för många laddningar. Nackdelen är att de inte har en högre energitäthet än litiumjonbatterierna.

Litiummetallbatteri

Litiummetallbatterier, där anoden består av en tunn folie av metallisk litium, har en hög teoretisk energidensitet. Det kan röra sig om en energidensitet så mycket som tre gånger dagens litiumjonbatteri. Batteritypen har dock problem med utväxter som kan leda till kortslutning. Därför behövs i dagsläget speciella elektrolyter som bara fungerar vid högre temperaturer. När batterierna hålls varma blir energieffektiviteten sämre vilket gör det svårt att få ut lika mycket energi som stoppas in.

Trots utmaningarna finns denna batterityp exempelvis i Bluecar, en elbil som tillverkas av Bolloré ihop med Renault och Pininfarina. Varje Bluecar har ett batteri på 30 kilowatt som hålls varmt.

Företaget Solid Energy Systems har presenterat ett litiummetallbatteri som ska räcka dubbelt så länge som dagens litiumjonbatteri. Tanken är att företagets batterier i första hand ska lanseras för drönare och senare för mobiltelefoner.

Magnesiumbatteri

I magnesiumbatterier är energitätheten teoretiskt sett dubbelt så stor som hos dagens litiumjonbatteri och magnesium är en billig metall som det finns gott om. Idag finns ingen utvecklad teknik som fungerar men det forskas på området och vissa framsteg görs. Bland annat forskas det på utveckling av elektrolyter för magnesiumbatterier.

Det finns alltså minst fyra intressanta kandidater som kan lösa många av de brister som dagens litiumjonbatterier har. Det troliga är inte att en av dem kommer att ersätta litiumjon helt. Snarare kommer vi att se en vidareutveckling av litiumjon, utvecklingen av denna teknik har ju varit enastående än så länge, tillsammans med flera kompletterande tekniker som passar specifika ändamål.

Men det slutgiltiga målet är detsamma: att få en hel process från råvaror, tillverkning och återanvändning som ger ett stort och hållbart energiuttag och en miljövänlig tillverkning och återvinning.