Professor Donald Sadoway har jobbat med flytande batterier på MIT. Foto M. Scott Brauer

Donald Sadoway har jobbat med flytande batterier på MIT. Foto M. Scott Brauer

Att balansera elproduktionen mot konsumtionen är en ständig utmaning, som blir mer påtaglig när andelen förnybara källor ökar i energimixen. Det talar för att integrera energilagring i elnäten – men tillgänglig batteriteknik har hittills gjort det alltför kostsamt. Flytande batterier, där elektroder av billiga material hålls i vätskefas vid hög temperatur, erbjuder en tänkbar lösning.

El produceras från många olika energislag, till exempel biomassa, fossila bränslen, vattenkraft, kärnkraft, sol och vind. Elen som produceras måste ständigt vara i balans med den el som konsumeras. För att möta snabba svängningar behövs reglerkraft, och när efterfrågan är särskilt hög behövs höglastkraft. Det extra tillskottet produceras ofta i förbränningskraftverk; de kan justera effektproduktionen snabbt, men är ofta sämre än baskraften i utsläppshänseende. Ett större bruk av oregelbundna kraftslag som sol-, vind- och vågkraft ökar också behovet av reglerkraft.

Om det fanns en buffert i elnätet, mellan konsumtion och produktion, skulle behovet av reglerkraft minska samtidigt som förnybara men oregelbundna kraftslag kunde utgöra större del av produktionen. Ett rimligt sätt att göra det vore med stora batterier – med hög lagringsförmåga och möjlighet att svara på fluktuerande efterfrågan – eller med någon annan form av storskalig energilagring i elnätet. (Se artikeln ”Integrerad energilagring” för mer om detta.)

Ett omvänt perspektiv på batteriutveckling

Att lösa den uppgiften med batterier ställer dock stora krav på tekniken: den måste vara kapabel att hantera höga spänningar, ha lång livstid, och samtidigt vara mycket kostnadseffektiv. Det innebär batteriprestanda som ligger bortom allt som är tillgängligt idag.

Det är här liquid metal batteries, flytande batterier, kommer in – en idé framtagen av forskare vid MIT.

Den grundläggande principen för ett batteri, ända sedan Alessandro Volta uppfann det första år 1800, är två elektroder (av metall respektive metalloxid), förbundna med ledare och nedsänkta i en ledande elektrolyt där joner kan vandra från den ena till den andra. Voltastapeln bestod till exempel av silver- och zinkbrickor som staplats ihop parvis, med kartongbitar indränkta i saltlösning emellan.

Batteriutvecklingen sedan dess har karakteriserats av ett sökande efter nya kemiska konfigurationer med lovande egenskaper, som man sedan försökt prispressa genom att effektivisera och skala upp tillverkningprocessen. Professor Donald Sadoway ville vända på den arbetsgången, och fokusera på att pressa ned kostnaden i första hand.

If you want to make something dirt cheap – make it out of dirt!

Sadoway insåg att kostnadsvillkoret i sig skulle diskvalificera många av de sällsynta och dyra ämnen som ofta används i batterier på grund av sina övriga goda elektrokemiska egenskaper; man fick i så fall hålla till godo med de material som är billiga och rikligt förekommande, helst på nära håll. Tillverkningsprocessen måste också vara så enkel och rättfram som möjligt.

Inspirationen kom från aluminiumtillverkning. Ett aluminiumsmältverk är en anläggning för elektrolys; i processen (som kallas Hall-Herault efter upptäckarna) driver elektrisk ström en reaktion där aluminiumoxid omvandlas till rent aluminium, upplöst vid hög värme i en saltsmälta. Bortsett från värmen är det hela ganska likt principen i Voltas stapel.

Sadoway försökte skapa ett högtemperaturbatteri efter samma principer: med elektroder av flytande metall och en saltsmälta som elektrolyt. De tre ämnenas olika densitet gör att de naturligt skiktar sig i behållaren, med det övre och det undre som elektroder och elektrolyten mellan dem.

lmb

I ett flytande batteri är elektroderna och elektrolyten smälta. Skillnaden i densitet får dem att ordna sig i lager.

Lägre temperaturer – större kapacitet

Från början användes elektroder av magnesium och antimon. Senare versioner har använt en bly-antimonlegering tillsammans med litium, vilket fått ned temperaturkravet från 700 till 450 grader. Principen har skalats upp i allt större batterier, med målet att ta fram batterimoduler som kan sammanfogas i containrar för utplacering, med en beräknad kapacitet på 2 MWh per container – motsvarande 200 hushålls dagliga energibehov.

Genom företaget Ambri har Sadoways design förts närmare kommersialisering, men lanseringen har stött på patrull; att hitta förseglingar som står emot de höga temperaturerna har varit en svårighet. Andra har påpekat att det är en effektivitetskostnad att ständigt hålla metallerna i flytande tillstånd.

Oavsett hur det går för Ambri i slutändan, är det ett tankeväckande exempel på att batterier kan konstrueras på många sätt, och rentav designas utifrån att hålla ned totalkostnaderna för implementationen. Framtidens integrerade energilagring ställer andra krav än elfordon och konsumentelektronik, och någon konfiguration av smälta metaller kanske kan fylla en viktig nisch.

Artikeln publicerad i november 2015