Sodium Batteries: From Liquid to Polymer Electrolytes

Doktorsavhandling, 2016

Dagens samhälle och människans levnadsätt kräver ofta mycket energi. Det vanligaste sättet att producera elektricitet är att förbränna fossila bränslen, vilket orsakar utsläpp av luftföroreningar. Förnybara energikällor (sol, vind och vatten) är mer miljömässigt hållbara men är ofta diskontinuerliga eftersom de är beroende av väderlek och dygnscykeln. Detta skapar ett behov av att effektivt kunna lagra denna energi och använda den när det behövs. En möjlig lösning på problemet är användning av stora stationära batterier. Batterier används också i mobila elektroniska apparater och elektriska bilar. För de mobila tillämpningarna är litiumjon-batteriet den mest använda batteritypen. Litiumjon-batterier är i stora drag uppbyggda av två elektroder separerade av en elektrolyt med mobila litiumjoner.

Tillgångarna av litium är dock begränsade, och bara under 2015-2016 har priset på litium ökat ~ 25% och kan i framtiden förväntas öka ytterligare. Batteriforskare letar därför efter lösningar baserade på andra grundämnen som kan leda till långsiktigt hållbarare och billigare batterier. Natrium har liknande kemiska egenskaper som litium, men natrium är betydligt mer tillgängligt än litium. Dessutom kan natriumjon-batterier innehålla billigare material än litiumjonbatterier, till exempel genom att ersätta dyr koppar med billigare aluminium. Natriumbatterier är därför intressanta för både stationära batterier och i elektriska bilar.

Natriumjonbatterier som innehåller flytande organiska lösningmedel och ett fluor-baserat salt visar goda resultat vid rumstemperatur. De flytande organiska lösningmedlen och fluor-baserade salterna ger dock upphov till säkerhetsproblem. Det finns olika strategier för att lösa problemen, vilka jag föreslår i min avhandling. Den första är att använda fluor-fria salter. Den andra är att ersätta de organiska lösningsmedlen med en fast elektrolyt; till exempel en fast polymerelektrolyt vilket möjliggör flexiblare, säkrare och kompaktare batterier. Med kombinationen av natrium-baserade elektroder och polymerelektrolyter är det möjligt att bygga långsiktigt hållbara och säkrare batterier. Det finns dock nackdelar att använda fluor-fria salter och en polymer som lösningmedel. De fluor-fria salterna som jag undersökt är olösliga i organiska lösningsmedel, medan de fasta polymerelektrolyterna fungerar optimalt bara vid högre temperaturer (~ 80 °C). Det finns dock möjlighet att tackla nackdelarna; till exempel kan de fluor-fria salterna lösas i vatten och användas i vattenbaserade batterier. Fasta polymerelektrolyter kan förbättras genom tillsats av jonvätskor.