Litiumbaserade batterier har varit en del av våra liv i årtionden och krävs för olika elektroniska enheter. Men varför har litiumbaserade batterier blivit så populära, och finns det bättre alternativ? Vad skulle en dag kunna ersätta litiumbaserade batterier helt och hållet?
Vad är litiumbaserade batterier?
Litiumbaserade batterier (litiumjonbatterier) är den vanligaste typen av batteri idag. Idén med litiumbaserade batterier föreslogs först 1976 av Michael Stanley Whittingham, en brittisk kemist. Litiumbaserade batterier blev först kommersiellt tillgängliga i stor skala några år senare, 1991, när de började serietillverkas.
Ett litiumbaserat batteri kan komma i många former, med de mest anmärkningsvärda varianterna inklusive litium järnfosfat, litiumkoboltoxid, litiummanganoxid och litiumnickelmangankobolt oxid. Dessa batterier innehåller små kraftceller, som var och en består av en positiv elektrod (katod), en negativ elektrod (anod) och en elektrolyt.
Inom cellen rör sig litiumjoner mellan de positiva och negativa elektroderna, med elektrolyten som rörelsevektor. Litiumjoner (Li+) har en positiv laddning och dras därför till den negativa elektroden. De två elektroderna är också uppbyggda av nyckelkomponenter. I fallet med ett typiskt litiumkoboltoxidbatteri är katoden gjord av litiumkoboltoxid, medan anoden vanligtvis är gjord av en kolbaserad förening som kallas grafit.
Katoden kommer att ge bort en del av sina positiva litiumjoner, som sedan går till anoden genom elektrolyten och frigör energi som batteriet kommer att använda för sin effekt. Denna snabba och enkla process är nu förlitad på av miljarder människor runt om i världen för att driva sina enheter.
Många märken av litiumjonbatterier är engångsbruk. Även om de kan driva en enhet i veckor, månader eller till och med år, måste den kasseras och bytas ut när batteriet tar slut. Dock, uppladdningsbara litiumbaserade batterier är nu mycket populära, eftersom de kan spara pengar för användarna och producera mindre avfall.
Men exakt varför är litiumbaserade batterier det bästa valet? Vad gör dem till ett så attraktivt alternativ för tillverkare och konsumenter?
Varför använder vi litiumbaserade batterier?
Vi använder främst litiumbaserade batterier på grund av deras långa livslängd jämfört med andra batterityper. Tillverkare vill producera och sälja batterier som levererar ström under några dagar samtidigt som de förblir lätta och kompakta. Vidare, enligt Clean Energy Institute, Litiumjonbatterier har en mycket låg självurladdning på cirka 1-2 % per månad, vilket innebär att de förlorar en lägre procentandel av sin totala kraftkapacitet varje gång de används.
Litiumjonbatterier kan producera energi via en enkel kemisk process, vilket gör dem till ett mycket attraktivt alternativ för tillverkare. Utöver detta gör energitätheten hos litiumjonbatterier dem till det mest föredragna alternativet. Ett standard litiumjonbatteri har en kapacitet på 260-270wh/kg (wattimmar per kilogram), medan blybatterier endast kan nå en kapacitet på 50-100wh/kg (enligt. Dragonfly Energi). Energitätheten hos litiumjonbatterier är också en viktig orsak till att de är det används ofta i elfordon.
På grund av dessa faktorer är litiumbaserade batterier populära bland allmänheten, och de är inte dyra att köpa. Medan vissa märken eller modeller av batterier kan ha ett högre pris, är standardlitiumbaserade batterier i allmänhet ganska överkomliga och tillgängliga i miljontals butiker över hela världen.
Men litiumjonbatterier är inte på något sätt perfekta. Faktum är att det finns några uppenbara problem förknippade med denna otroligt populära strömkälla.
Problemet med litiumbaserade batterier
Ett av de största problemen i samband med litiumjonbatterier är den stora mängden avfall de skapar. Många väljer att slänga batterier med vanligt avfall när strömmen tar slut, vilket är skadligt för miljön.
När litiumjonbatterier slängs tillsammans med annat allmänt, icke-återvinningsbart avfall, hamnar de på en soptipp. När de väl landar här kan deras komponenter läcka ut och allvarligt skada den omgivande miljön. Litium, nickel, kobolt och mangan kan alla utgöra allvarliga föroreningsrisker och finns alla i olika litiumbaserade batterityper.
Dessutom skadar litiumextraktion för denna batterityp också vår planet. Litium kan utvinnas genom saltbrytning eller avdunstning, varvid båda processerna har en otäck effekt på miljön. Föroreningar, ökad salthalt i vattnet, CO2-utsläpp och förlust av biologisk mångfald är alla oroande bieffekter av litiumutvinning.
Med tanke på att marknaden för litiumbatterier förväntas växa med 14,6 procent mellan 2020 och 2026 (som rapporterats av Statista), är det troligt att processen med litiumutvinning kommer att fortsätta att utgöra ett miljöhot. Detta är också en växande oro inom elbilsproduktionsindustrin.
Så, vilka är alternativen?
De 4 bästa litiumbaserade batterialternativen
1. Saltvattenbatterier
Saltvattenhav täcker två tredjedelar av vår planet. Så, hur kan denna resurs användas för elproduktion?
Saltvattenbatterier använder en koncentrerad saltlösning för att producera kraft. Saltvattenbatterier innehåller också en anod och en katod, där saltlösningen fungerar som elektrolyt (eller vektor) för positiva natriumjoner (Na+-joner). Natriumjonerna går från katoden till anoden och producerar energi.
Faktiskt havsvatten används inte i saltvattenbatterier, men mängder av salt kan skördas från havet och användas för dessa batterier. Att använda saltvatten för att tillverka batterier kan vara mycket mindre miljöskadligt än de extraktionsprocesser som används för litium, kobolt, nickel och andra metaller som används i batterier.
2. Glas batterier
Glasbatterier låter kanske lite ovanligt, men de har stor potential. Glasbatteriet är en relativt ny idé, först konceptualiserad av fysikern John Goodenough 2017. Detta batteri, känt som "Goodenough-batteriet", använder glas som elektrolyt. Medan batterielektrolyter vanligtvis kommer i flytande form, är glasbatteriet helt fast.
Användningen av en fast elektrolyt är avsevärt säkrare än flytande elektrolyter, vilket minskar risken för bränder och tar bort risken för läckage i deponier. Dessutom kan glasbatteriet hålla längre än litiumjonbatterier, vilket gör dem till ett mer hållbart alternativ överlag. Natrium används också i glasbatteriet, som, som nämnts när man diskuterade saltvattenbatterier, är en mer hållbar resurs än traditionella batterimetaller.
3. Natrium-svavelbatterier
Natrium-svavel (NaS) batterier är en form av flytande batteri som använder smälta anoder och katoder. I detta fall kommer anoden och katoden i flytande form, där den förra är smält natrium och den senare är smält svavel. Dessa batterier har funnits sedan 1960-talet innan litiumjonbatteriet uppfanns. Men vilken potential har NaS-batteriet i vår värld?
En stor fördel med natrium-svavelbatterier är deras högre energitäthet än litiumjonbatterier. Faktiskt, forskare vid University of Sydney skapade ett natrium-svavelbatteri med fyra gånger så stor energikapacitet som litiumjonbatterier 2022. Dessutom är natrium-svavelbatterier mindre giftiga än litiumjonbatterier, vilket är goda nyheter för miljön.
4. Hampa batterier
Du skulle inte tro att hampa har potentialen att ersätta litiumjonbatterier, men den här växten har bevisat sin mångsidighet än en gång. Dessa batterier har dock en varning: de använder fortfarande tungmetaller som litium för att fungera.
Eco Watch rapporterar att ett exempel på ett hampadrivet batteri, utvecklat av forskare 2022, använder litium och svavel i sin kraftgenereringsprocess. Skillnaden här är att andra tungmetaller, som nickel eller kobolt, inte används, och själva batteriet har en förbättrad prestanda jämfört med traditionella litiumjonvarianter. Detta beror på att hampan hjälper katoden att förlänga dess livslängd genom upprepade cykler.
Hampabaserade batterier är också mer kostnadseffektiva och övervägs för användning i elfordon. För att lära dig om de olika batterityperna för elbilar, kolla in vår en dedikerad del i ämnet.
Batteriindustrin kan bli mycket grönare i framtiden
Med så lovande alternativ till litiumjonbatterier redan på gång, är det spännande att tänka på framtiden för batteriindustrin. Om sådana alternativ framgångsrikt kommersialiseras kan vi förhindra otaliga miljöproblem och katastrofer. Allt som allt är det en win-win för litiumjonersättningar!
