Fremtidens batterier – B-niveau

Du har måske læst om redoxkemi i ’Fremtidens batterier – C-niveau’, men redoxkemi er vigtig i mange andre sammenhænge end batterier. Derfor er fokus i gennemgangen af kernestoffet i dette tema ikke kun på batterier, men vi vender tilbage til kemien i batterier i slutningen af temaet og i det sidste forsøg. Her kan du også læse om den spændende kemiforskning indenfor faststofbatterier.

Lad os starte med kigge på dig! Redoxreaktioner er helt essentielle for liv, og uden dem ville hverken du, bakterier eller andre levende organismer findes. Helt grundlæggende for alt liv er de to kemiske reaktioner – fotosyntesen og respirationen.

Der sker selvfølgelig mange andre redoxreaktioner omkring dig end fotosyntesen og respirationen. Når hår afbleges, når maden mugner, når jern ruster, når du tænder et bål, eller når diesel- og benzinbiler har motoren tændt, sker der redoxreaktioner. Også i energisektoren, hvor man arbejder på at omstille mest mulig til grøn energi, bruges redoxreaktioner. I ‘Fremtidens batterier – C-niveau‘ lærer du den grundlæggende redoxkemi, som dette tema bygger ovenpå, og i ’Power-to-X og katalyse’ møder du også redoxreaktioner.

Har din familie selv en elbil, eller kender du selv en, der har en elbil? Har du nogen sinde overvejet, om de mon er så miljøvenlige, som producenterne af elbilerne og ejerne af elbilerne siger? Er der måske noget, der ikke fortælles? Det må undersøges!

Du har måske opdaget, at det ikke er helt let at svare på spørgsmålet i opgaven. En faktor, der fx også spiller en rolle, før man kan tage stilling til spørgsmålet, er, hvordan du skal bruge bilen. Skal bilens batteri holde længe, eller skal det være meget effektivt? Nedenfor kan du lære mere om, hvor godt et genopladeligt batteri holder ift. et engangsbatteri.

2.1 Hvor godt holder et batteri?

Typisk vil et 1,5 V engangsbatteri kunne levere en spænding på 1,5 V fra starten, mens et tilsvarende genopladeligt batteri kan levere et sted mellem 1,2 og 1,3 V, som du kan se i figur 5. Dvs. engangsbatteriet er meget effektivt og kan få en lommelygte til at lyse meget kraftigt helt i starten. Efterhånden som batteriet bliver brugt, dvs. den resterende kapacitet falder, falder spændingen også, og lommelygten lyser hurtigt mindre og mindre. Et genopladeligt batteri kan derimod ikke levere en fuld spænding fra starten, men det vil kunne holde spændingen og dermed også lommelygtens lysstyrke meget mere stabilt, selvom kapaciteten falder. Har du derfor et apparat, som bruger meget lidt strøm, men skal være tændt længe, holder engangsbatterier bedre, men har du et apparat, som bruger meget strøm på kort tid, som fx din mobiltelefon, så holder genopladelige batterier bedre.

2.2 Hvad med økonomi og bæredygtighed?

Hvis du kigger på den økonomiske side, vil det være billigere for forbrugeren – altså dig – at købe genopladelige batterier frem for engangsbatterier. Og kigger du på miljøhensyn, så skal der produceres og transporteres færre batterier fra fabrikker til butikker og videre til dig, hvis du køber genopladelige batterier. Oplades batterierne med grøn strøm fra vind- og solenergi, øger det bæredygtigheden. Hvis strømmen derimod kommer fra afbrænding af fossile brændsler, er engangsbatterier bedre, hvilket gælder fx i Indien, som får meget af energien herfra. Dog kan man stille spørgsmålstegn ved, om det er ressourcemæssigt godt ift. hvilke grundstoffer, der bruges i de genopladelige batterier hhv. engangsbatterierne, da de består af forskellige grundstoffer.

2.3 Kan materialet i batterier genanvendes?

Hvad sker der med dine batterier, når de ikke kan bruges eller genoplades mere? I Danmark bliver de sorteret efter, hvordan materialerne i dem kan genanvendes. Herefter sendes de ud af Danmark, hvor de bliver delt op i de dele, der kan genbruges og dem, der ikke kan. Morten Harboe-Jepsen fra Elretur udtaler:

”Metallerne kan genanvendes, men der er et restprodukt, som ikke kan genanvendes – og det bliver brændt på specielle anlæg. Røgen er ikke giftig. Lige nu er det 58 procent af et litium-ion-batteri, som kan genanvendes.”

Danske og udenlandske forskere i kemi forsøger på forskelligt vis at forbedre eksisterende batterier og at udvikle nye typer af batterier i samarbejde med fysikere, matematikere, geologer, biologer og ingeniører. Der er mange måder at forbedre batterier på. Man kan fx arbejde med batteriernes kapacitet, fremstilling, holdbarhed, bortskaffelse og bæredygtighed. Måske har du prøvet opgaven, Forsk og forklar: Fremtidens batterier, hvor du skal forsøge at finde frem til andre grundstoffer end dem, der anvendes i dag. Nogle af disse er nemlig problematiske ift. tilgængelighed, og mange geopolitiske interesser er i spil for at få adgang til mineraler indeholdende disse vigtige grundstoffer.

Nedenfor vil du lære mere om redoxreaktioner, end du allerede ved. Du bygger langsomt ovenpå din viden fra c-niveau om oxidation, reduktion og spændingsrækken vha. regler og detaljerede eksempler. Fokus er i første omgang ikke på batterier, men på at forstå redoxkemi generelt og dermed forberede dig til sidst at dykke ned i, hvordan forskere bruger redoxkemi i arbejdet med at udvikle fremtidens bæredygtige batterier.

3.1 Oxidation og reduktion sker samtidig

Redoxreaktioner er en overførsel af elektroner mellem atomer, ioner eller molekyler, hvor den ene partikel afgiver en eller flere elektroner og den anden partikel optager det tilsvarende antal elektroner. Partiklen, der afgiver elektroner, oxideres, mens partiklen, der modtager elektroner, reduceres. De to delreaktioner sker på samme tid. Nedenfor følger to eksempler for at genopfriske dette:

I eksempel 2 gennemgås en reaktion, hvor det ikke er et metal, der reagerer med et andet metal, men derimod et ikke-metal og et metal.

Nedenfor er to forsøg, hvor du kan undersøge, om man kan gøre noget for at få nye kobbertage til at irres hurtigere. I det første forsøg undersøger du en specifik reaktion, og i det andet forsøg vælger du selv forskellige stoffer, du vil undersøge potentialet af, og du bestemmer selv forsøgsbetingelserne.

Det bliver sværere og sværere at holde regnskab med antallet af overførte elektroner, jo mere komplicerede redoxreaktionerne bliver. Du skal stadig have styr på, hvilket grundstof der oxideres, og hvilket der reduceres samt på, at der afgives lige mange elektroner, som der optages i en reaktion. Nedenfor lærer du først en regel for, hvordan du ofte afgør hvilke atomer, der afgiver, og hvilke der optager elektronerne. Her skal du bruge begrebet elektronegativitet, som du måske har mødt før. Bagefter lærer du et system, hvor du bruger begrebet oxidationstal til at holde styr på elektronerne i redoxreaktioner, så du kan afstemme dem.

3.2 Elektronegativitet

Tidligere har du måske set, at meget elektronegative grundstoffer som f.eks. oxygen er effektivt til at oxidere mange stoffer. Men hvad er det nu elektronegativitet betyder?

Helt kort kan man sige, at elektronegativitet er et udtryk for et atoms evne til at tiltrække elektroner. Elektronegativitet forkortes ofte med EN og har en talværdi mellem 0 og 4. EN-værdien er enhedsløs, og jo højere talværdien er, jo mere elektronegativt er grundstoffet. Du kan læse mere om elektronegativitet her. I figur 8 kan du se EN-værdien for mange af grundstofferne.

I ”Kemiske bindinger” er det gennemgået, hvordan du bruger forskellen i EN-værdier mellem to grundstoffer til at afgøre, hvilken type af kemisk binding de laver med hinanden. Elektronerne i en binding vil i større eller mindre grad være forskudt mod det mest elektronegative atom, medmindre forskellen i EN-værdierne er 0. I redoxreaktioner svarer det til, at det mest elektronegative atom dermed reduceres, og det mindst elektronegative atom oxideres. Lad os se på et eksempel:

Du har nu set, at det er elektronegativiteten, der er med til at afgøre, hvorvidt et atom reduceres eller oxideres. Men for at finde ud af ”hvor meget” det reduceres eller oxideres, er du nødt til at have styr på alle elektronerne, der afgives og optages i en reaktion, og her er oxidationstal et smart, lille værktøj.

3.3 Oxidationstal

Oxidationstal (OT) er et redskab, man har indført, og som kan tildeles alle atomer i en kemisk reaktion. Du skal lære, hvordan OT kan hjælpe dig med at følge fordelingen af elektroner mellem atomerne, og hvordan OT ændrer sig for nogle atomer i løbet af en reaktion.

Du har tidligere set, at når et atom oxideres, reduceres et andet atom samtidig. Det kan kobles sammen med fagudtrykket oxidationstal:

OT tildeles til enkeltatomer eller atomer i molekyler og ionforbindelser efter meget præcise regler. OT er som regel hele tal fra -7 til +7 og de angives oftest med romertal for at skelne mellem ladninger og OT (se figur 24 i faktaboksen nedenfor). De skrives over atomet i et reaktionsskema, og det er vigtigt at sætte fortegn + eller – foran romertallet. Dermed bruges romertallene I, II, III, IV, V, VI og VII med et fortegn samt tallet 0, som ikke er et romertal.

Når du skal tildele et OT enten til et enkeltatom eller atomer, er der tradition for at bruge romertal. Det er dog ikke noget, du skal, men kan gøre. Det kan dog hjælpe dig med at skelne mellem fx ioners ladning og atomers OT. Du kan følge disse regler:

For at kunne bruge reglerne, kan du med fordel læse eksempel 4. Læg mærke til, at selvom der er to ens hydrogenatomer i fx vandmolekylet, så skrives der kun OT ovenover vandmolekylet for ét af hydrogenatomerne.

De mest elektronegative grundstoffer får altså et negativt oxidationstal, mens de mindre elektronegative får et positivt oxidationstal. Fx har alle alkalimetallerne i første gruppe i det periodiske system altid et oxidationstal på +I og jordalkalimetallerne i anden gruppe næsten altid har +II.

Nu har du set, at du kan bruge EN-værdier til at finde frem til oxidationstal. Der er dog sjældent regler uden undtagelser! En del grundstoffer, både metaller, ikke-metaller og nogle overgangsmetaller kan have flere forskellige oxidationstal, alt efter hvilke andre atomer der er i molekylet eller ionen. I spændingsrækken kan du se to forskellige jernioner og to forskellige kobberioner (se figur 10). Der er tale om jern(2+)-, jern(3+)-, kobber(1+)- og kobber(2+)ionerne. For at undgå at blande fx jern(2+)- og jern(3+)ionerne sammen, indgår ladningen i selve ionernes navne. I anden litteratur kan du opleve, at der i stedet for ladningen står ionernes OT med romertal i parentesen: jern(II)ion og jern(III)ion.

Hvis atomerne i et grundstof kan have flere OT, kan man ikke altid bruge EN-værdien til at afgøre, hvilke stoffer der oxideres og hvilke der reduceres. Men du kan som udgangspunkt regne med, at du kan bruge det, når du er i tvivl.

3.4 Oxidationstal i reaktionsskemaer

OT er, som tidligere nævnt, et system, man har indført for at følge fordelingen af elektroner mellem atomerne i stoffer og hvordan disse ændres i en given redoxreaktion.  Skifter OT for et atom i en reaktion, så er der sket en redoxreaktion.

I eksempel 5 er det vist, hvordan OT skrives i en redoxreaktion.

Når man opskriver mere komplicerede redoxreaktioner, skriver man kun OT over de atomer, der enten stiger eller falder i OT. OT for atomer, der ikke ændres, har ikke betydning for, hvordan reaktionen opskrives og afstemmes, som du skal lære om længere nede.

Når du tildeler OT i organiske redoxreaktioner, foregår det langt hen ad vejen på samme måde, som du allerede har lært. Dog er nogle organiske stoffer meget store, og så bliver det hurtigt en uoverskuelig opgave at udføre. Se fx strukturen af testosteron i figur 11 med molekylformlen C₁₉H₂₈O₂.

Hvis du vil lære, hvordan du tildeler OT til organiske forbindelser, kan du læse mere om det i temaet ’Power-to-X og katalyse’.

Afstemning af reaktionsskemaer er en helt central del af kemi, og i næste afsnit lærer du en række regler, der systematiserer afstemningen, så det bliver lettere.

3.5 Afstemning af redoxreaktioner

Når der sker en redoxreaktion, er det vigtigt, at du har styr på, at der afgives lige mange elektroner fra det stof, der oxideres, som der optages af det stof, der reduceres. Her følger en række regler, du kan følge, og bagefter ser du eksempler på dette i en video.

Hvis det stemmer, er du i mål og har afstemt din reaktion korrekt. I eksempel 6 gennemgås, hvordan man bruger afstemningsreglerne trin for trin.

Når antallet af hydrogenatomer er ens på begge sider af reaktionspilen, har du afstemt dit reaktionsskema korrekt. Hvis du oplever, at det ikke stemmer, må du på jagt efter fejlen.

Nu skal du møde lidt hverdagskemi. Hypochlorit findes i mange produkter til toiletrens, da det har en desinficerende egenskab. Det har dog ingen effekt på kalkaflejringer i toilettet (se figur 12), og derfor hælder flere mennesker også syre ned i toilettet for at opløse kalken. Og det er et problem! Det får du forklaringen på, når du har løst den næste opgave om redoxreaktioner.

Nu er du ved at være klædt godt på med viden om redoxkemi, og det skal du bruge i forsøget om grundstoffet mangans mange oxidationstal også kaldt ’Den kemiske ka. Længere nede kan du se, hvordan man kan bygge sit eget genopladelige batteri på Institut for Kemi på Aarhus Universitet, eller du kan måske besøge instituttet med din klasse og prøve det selv. Og så skal du møde flere andre batteriforskere i Danmark – hver med sit fokus på at udvikle fremtidens batterier.

4.1 Mangans farver og oxidationstal – fra teori til anvendelse i batterier

Mangan er grundstof nummer 25 og er et overgangsmetal, der hører til i undergrupperne. Det er et meget brugt grundstof i de klassiske alkaliske brunstensbatterier og i lithiumionbatterier. Du kan læse mere om brunstensbatterier her. I linket kan du bl.a. læse, at katoden i brunstensbatterier netop indeholder brunsten, som er en manganforbindelse.

Mangan spiller altså en direkte rolle i redoxreaktion i brunstensbatterier, men i lithiumionbatterierne har grundstoffet en anden rolle. Her øger mangans tilstedeværelse batteriets spænding, kapacitet og stabilitet. Og da mangan er et forholdsvist hyppigt forekommende grundstof, er der også miljømæssige fordele ved at bruge dette fremfor fx kobolt.

I opgave 14 fandt du ud af hvilke OT, mangan havde i de to forbindelser i reaktion (25). Mangan kan have flere andre OT, og mangan har i hvert af disse OT forskellige farver, som du kan se i figur 16.

I ’Forsøg 3: Den kemiske kamelæon’ vil du møde de mest almindelige farver og dermed de mest almindelige OT, som mangan kan have.

4.2 Mangan i bilbatterier

Bilbatterier af typen NMC 622 indeholder udover lithium også nikkel, mangan og cobalt. Selve batteriet uden indpakning vejer 350 kg, og manganindholdet er på 20% i katoden.

I NMC 622 har mangan et OT på +IV. Du skal i ‘Forsøg 4: Mangan i elbilbatterier’ bruge din viden om mangans farver og oxidationstal til at identificere en metode til at fremstille mangan til et bilbatteri og regne på, om metoden er smart.

Du har nu fået indblik i, hvordan man kan bruge redoxkemi til at undersøge og fremstille forskellige manganforbindelser. Denne viden kan også bruges om andre metaller og er fundamental i udviklingen af moderne batterier. I det næste afsnit kan du se, hvordan danske forskere arbejder med at omsætte kemi til nye batteriteknologier.

Mangel på energi topper listen af menneskelige udfordringer i en foranderlig verden. Hvis vi kan løse denne udfordring, kan vi løse mange andre udfordringer ifølge professor Jan Rossmeisl fra Kemisk Institut på Københavns Universitet.

Men hvor skal energien komme fra? Hvordan vurderer vi, hvor god en energikilde er? Og hvilke energiformer kan vi få mest energi ud af i forhold til, hvor meget energi der går tabt undervejs fra produktion og transport til forbrug?  Her spiller kemien en afgørende rolle. Med kemien kan vi beskrive og sammenligne energiindhold og energieffektivitet for fx benzin, kul, batterier og dihydrogen. Det skal du lære mere om i det følgende afsnit.

Hvis du har brug for at få genopfrisket, hvordan et batteri er opbygget og fungerer, kan du med fordel læse her.

5.1 Energiindhold og energieffektivitet

For at forstå, hvad der menes med energiindhold og energieffektivitet, kan vi kigge på biologiens verden (se figur 18).

Elefanter bruger 16 timer i døgnet på at spise græs og blade. De kan indtage mere end 100 kg føde på den tid. Omvendt indtager en løve kun 20-40 kg kød, når den har nedlagt et bytte. Herefter sover og slapper den af i dagevis, før det er nødvendigt at spise igen. Denne forskel skyldes forskelle i både energiindhold og energieffektivitet, og de er meget vigtige begreber for at vurdere hvor god en energikilde er. Lad os se nærmere på elefanten og løven fødeindtag.

Energiindholdet beskriver hvor eget energi, der er i et materiale. Den kemiske energi i en fødevare skyldes, at der frigøres energi når de kemiske bindinger brydes under forbrænding af molekyler. Hvis du sammenligner 1 kg græs og 1 kg kød, vil der være mere energi i kødet. Dvs. energiindholdet er større i kødet end i græsset. Dette skyldes bl.a. at fedtindholdet er højere i kød, og at vandindholdet i græs er højere. Da 1 kg græs fylder meget mere end 1 kg kød, gælder det også, at energiindholdet målt pr. liter er højere for kødet end græsset.

Energieffektiviteten siger noget om, hvor godt energien i et stof udnyttes. En elefant og en løve udnytter energien i hver deres føde forskelligt, og derfor er energieffektiviteten for græs og kød også forskellig. En elefant skal spise over 100 kg græs og blade om dagen, og den udnytter faktisk kun 50% af det den spiser. Resten kommer stort set ufordøjet ud. Omvendt udnytter rovdyr som løver 60-80% af energien i deres føde.

I figur 19 kan du se, hvor meget energi der er i forskellige energimaterialer som fossilt brændstof, batterier og grønne brændstoffer produceret fra Power-to-X-teknologien i forhold til, hvor meget de vejer og fylder. Jo højere energiindhold, der er i 1 kg energimateriale, og jo højere energiindhold, der er i 1 L energimateriale, jo bedre. Her er batterier langt fra lige så gode som fx benzin. Pga. de logaritmiske akser, er energiindholdet ca. 100 gange mindre. Men du skal samtidig også forholde dig til, hvor effektivt vi udnytter energien i energimaterialer, og her er batterier meget energieffektive. Du kan dog selv mærke, at energieffektiviteten for batterier ikke er 100 %. Når du bruger din mobiltelefon længe, kan du mærke, at temperaturen stiger lidt. Der er altså lidt af energien i batteriet i din mobiltelefon, der går tabt til omgivelserne i form af varme. Dette varmetab er dog væsentlig større for benzin og PtX-kemikalierne. Når du afbrænder dem, går en stor procentdel af energien tabt til omgivelserne.

Når batteriforskere arbejder på at udvikle nye batterier, vil de gerne lave batterier med højt energiindhold pr. kg batteri, så batteriet nemt kan transporteres rundt. Samtidig er det vigtigt med en høj energieffektivitet, så næsten al energi i batteriet omdannes til elektrisk energi. Derudover skal grundstofferne være lettilgængelige, udvindes på en bæredygtig måde, og oxidationen af metalatomer til metalioner i anoden skal køre let. I figur 20 kan du se en oversigt over udvalgte anodemetaller, der er i spil indenfor batteriforskning. Jo lavere værdi standardreduktionspotentialet har, jo sværere har den viste reduktionsreaktion ved at foregå, men jo lettere foregår den modsatte reaktion. Det vil sige, at jo lavere værdi standardreduktionspotentialet har, jo lettere oxideres metallet til metalionen i anoden, og jo højere kan energiindholdet i batteriet blive.

Dorthe arbejder også på at forstå, hvorfor genopladelige lithiumionbatterier på et tidspunkt ikke længere kan genoplades. Man er langt med at forstå, at det delvist skyldes, at elektrolytten går i stykker, men noget af årsagen er også ændringer i strukturen i anoden og katoden, og dette forsøger hun netop at finde årsagerne til. Figur 21 viser, hvordan Dorthe bruger atomar røntgendiffraktion til at undersøge netop dette.

Kender man årsagen til, at krystalstrukturen går i stykker, kan man forsøge at forbedre det, så lithiumionbatterier kan genoplades endnu flere gange, end det allerede er tilfældet.

Faststofbatterier er et andet vigtigt forskningsområde i udviklingen af nye batterityper. I næste afsnit kan du læse mere om dette.

5.2 Det brandsikre faststofbatteri

I et almindeligt genopladeligt lithiumionbatteri består elektrolytten, der adskiller anoden og katoden og kun tillader lithiumionen at passere, af en organisk væske, som er meget brændbar, og det udgør netop en risiko, da batteriet dermed er brandfarligt. Faststofbatterier er en type batteri, hvor den flydende elektrolyt er erstattet af et fast materiale, fx en keramisk eller polymerbaseret elektrolyt. Det gør batteriet mere sikkert, fordi der ikke er risiko for lækage eller brand som ved flydende elektrolytter. Både genopladelige cykelbatterier og bilbatterier har været årsag til flere brande, som du kan læse om her, og her kan du læse råd om, hvordan du undgår sådan en brand.

Ligesom professor Dorthe Ravnsbæk er Torben René Jensen, professor i kemi på Aarhus Universitet, også materialekemiker. En materialekemiker arbejder med at udvikle, undersøge og forbedre både naturlige og syntetiske materialer med særligt fokus på deres kemiske sammensætning og egenskaber. Målet er at designe materialer, der kan bruges i alt fra batterier og vindmøller til medicinsk udstyr og mobiltelefoner.

Faststofbatterier rummer stort potentiale, og derfor er der mange forskere, der udvikler elektrolytter til disse. Forskerne på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet et nyt elektrolytmateriale baseret på kaliumsilikat, der er et almindeligt mineral udvundet af sten. Forskerne forventer, at det kan erstatte lithium i fremtidens elbilbatterier. Materialet er stabilt overfor luft og fugtighed, hvilket gør det muligt at producere det som papirtynde film, og det er en stor fordel ved batteriproduktion. Over de næste 10 år forventes denne teknologi at kunne levere et miljøvenligt, mere effektivt og mere sikkert alternativ til nuværende litiumionbatterier.

Det er naturligvis ikke kun i Danmark, man forsker i batterier. Hvis du er interesseret i at læse mere, om hvad der foregår indenfor batteriforskning ude i verden, kan du starte her.

Nej, vi har brug for flere løsninger på samme tid! Batterier er vigtige til at lagre energi fra vedvarende kilder som sol og vind, men de kan ikke stå alene. Der er brug for en kombination af energikilder, effektiv energilagring, energibesparelser og udvikling af nye teknologier for at sikre en stabil og bæredygtig energiforsyning.

Her kommer kemikere ind i billedet. De arbejder med at finde nye, smarte materialer og reaktioner, så vi kan lave batterier, der holder længere, virker bedre og skader miljøet mindre. Måske bliver det en af jer, der er med til at udvikle de løsninger, vi har brug for. Kemi er nemlig ikke bare teori – det er også nøglen til fremtiden.