Kan grafen-batterier bli batteriteknikens 2.0?

Vilken batteriteknik brukas mest idag och finns det brister?

Det var först under 1800-talet som den italienska fysikern Alessandro Volta skapade det första moderna elektriska batteriet (Wikipedia 2022). Utvecklingen stannade inte heller där och idag bygger batteriindustrin för elektronik och produkter riktad mot konsumenter till allra största del av litium-jon-batteritekniken (Batterigruppen 2021). Denna typ av batterier går att hitta i allt från smartphones, surfplattor, hörlurar och datorer till elbilar och annan elektronik. Apple är ett bra exempel på ett stort företag som använder litium-jontekniken, företaget har valt att använda tekniken i sina iPhones, iPads, Macbooks, Apple Watches med flera och på sin hemsida förklarar Apple hur tekniken i dagsläget är den bästa för konsumenten (Apple 2022).

Även om yttrandet från Apple stämmer bra överens med samtiden kommer litium-jontekniken med brister (precis som den mesta annan teknik). Däribland temperaturkänslighet, något som dels påverkar prestandan men även visat sig vara destruktivt och farligt. Många minns säkert Samsungs fiasko där deras Samsung Galaxy Note 7 exploderade/började brinna och därmed blev bannlyst från att laddas och användas under flygresor (The Guardian 2016) men även orsakade personskador (The Verge 2016). Vad som orsakat detta har många spekulerat kring, bland annat har vissa talat för att batteriet skulle ha haft för lätt för att överhettas – mer om hur detta fungerar senare – men Samsungs officiella utlåtande var att det uppstått tillverkningsfel som resulterat i kortslutning (NBC News 2017).

Hur fungerar litium-jontekniken?

För att ge lite kontext till hur och varför litium-jon-batterier (li-jonbatterier) kan vara farliga och explodera kan det vara bra att ha koll på hur tekniken – i väldigt stora drag – fungerar. Inne i varje li-jonbatteri befinner det sig två elektroder, en katod som är positivt laddad och en anod som är negativt laddad. Dessa elektroder separeras med hjälp av ett slags tunt ”plastark”. När du laddar ditt li-jonbatteri så knuffas li-jonerna av elektriciteten från katoden genom ”plastarket” och en elektriskt ledande vätska till anoden. När du använder ditt batteri, till exempel genom att du använder din mobiltelefon blir processen densamma fast åt andra hållet. (How-To Geek, 2018)

Faror med litium-jontekniken.

Det är tack vare dessa materials fantastiska egenskaper och samspel som batteriet fungerar men också riskerar att bli farligt och utgöra en brand- och explosionsrisk. Litium är fantastiskt för att lagra energi men om all energi släpps loss på en gång är risken stor att batteriet exploderar eller börjar brinna. (How-To Geek, 2018) När händer detta då? Förslagsvis om du punkterar batteriet som det brukar kallas – det vill säga gör ett hål i batteriet – som resulterar i en kortslutning. Det är just den där kortslutningen som många gånger är problematisk, då det resulterar i att batteriet överhettas och blir på tok för varmt. Kortslutning uppstår när ”plastarket” inte lyckas att hindra anoden och katoden från att nudda varandra. Som tidigare benämnt var kortslutning orsaken till att Samsungs batterier fick problem och det belyser väldigt väl de faktum att det är mycket kritiskt att säkerställa dels en hög kvalitetskontroll, men också att säkerställa en god design för batteriets konstruktion. Värt att notera är att detta stämmer för väldigt mycket teknik och inte är något som är unikt för just batterier och av detta slag. Konsekvenserna av felkonstruktioner är dock ofta betydligt mer kritiska för denna typ av batterier än mycket annan teknik som till exempel kanske bara tappar en del av sin funktionalitet.

Något annat otäckt med dagens batteriteknik blir väldigt tydligt om vi tittar på elbilsindustrin. En Tesla Model S kraschade och började brinna, brandmännen lyckades släcka branden… trodde dom. Strax därpå började det brinna igen, ingen fara, brandkåren släckte även detta. Inte långt därefter började kvarlevan av bilen brinna en tredje gång. Allt som allt krävdes det en insats av åtta brandmän och släckningsarbetet tog inte mindre än sju timmar att genomföra och krävde över 100 000 liter vatten. Denna mängd vatten motsvarade andelen vatten denna brandstation normalt sätt konsumerar på en månad, eller vad genomsnittet av ett amerikanskt hushåll konsumerar på nästan två år. Att bilar kan brinna är väl inte så märkvärdigt, men en traditionell bil kräver oftast inte mer än ca 1 150 liter vatten för att släckas (Adam Something 2022). Batterit stod till grund för den intensiva branden, vilken typ av batteri? Litium-jon. Batterierna är mycket farliga när dessa väl antänder och är ofta långt från triviala att släcka, det är dock viktigt att komma ihåg att det görs flera säkerhetsåtgärder för att motverka bränder där batterier står till grund.

Det utvecklas all möjlig sorts teknik för att förhindra bränder, till exempel rekommenderar ofta din mobiltelefontillverkare dig alltid att använda deras adapter och sladd vid laddning. Varför? Det handlar inte om att dessa företag är giriga utan för att det finns teknik i förstapartens laddare som gör den säkrare än en billig tredjepartsladdare. Laddaren känner bland annat av när det är dags att sluta ladda. En nackdel här är dock att en tredjepartstillverkare kan välja att exkludera tekniken för att sänka priset på laddaren vilket lockar många priskänsliga konsumenter och gör batterierna osäkrare igen. Tråkigt nog hjälper detta inte heller mot de väldigt drastiska fysiska skadorna som sker när en elbil våldsamt kraschar men det visar absolut på att det tas initiativ för att förbättra situationen och det är inget man ska sticka under stolen med.

Ett viktigt begrepp kopplat till batterisäkerhet är så kallad ”thermal runaway”. Principen är att när ett litium-jonbatteri värms upp av sig självt vilket i sin tur skadar batteriet. Detta kan resultera i att batteriet släpper ut varma gaser som i sin tur kan leda till brand när gasen tar fyr eller explosion vid de fall där gasen fastnar och till slut släpper sig fri med hjälp av dess överväldiga mängd. När man krossar eller gör hål i batterier blir det en kortslutning, kortslutningen resulterar i värme och sedan in ”thermal runaway” (ColdFusion 2019a), vilket förklarar faran med denna typ av teknik i ett fordon som kraschar.

Är grafen-batterierna lika farliga?

Ja, men nej. Grafen-tekniken har kvar många egenskaper som ett litium-jonbatteri men tack vare att grafen som ämne introducerar lite nya egenskaper, såsom dess termiska egenskaper, så förbättras åtminstone problematiken… en aning i alla fall. Det är dock mycket relevant att påpeka att ”thermal runaway” som koncept även gäller för grafen-tekniken och att det förmodligen är lika farligt att ha i ett fordon som litium-tekniken.

Grafens uppkomst.

I sökandet på bättre lösningar för energiförvaring av vardagliga såväl som infrastrukturella applikationer har det förhållandevis nya ämnet grafen lyckats visa sig lovande för skapandet av en ny typ av batteri. Grafen upptäcktes så sent som 2004 och dess upptäckare vann år 2010 nobelpriset i fysik (ColdFusion 2020). Ämnet har länge ansetts av många vara i forskarstadiet då det är för dyrt att producera ämnet för annat än forskning (Coromant 2015). Detta ser dock ut att förändras – mer om detta senare.

Varför är grafen-batterier så lovande?

Om vi utgår från att din mobiltelefon har ett litium-jonbatteri med specifikation för 3000mAh så skulle din mobil kunna laddas från 0% till 100% på en och en halv timme med en stadardladdare med strömstyrka på 1,5A. Med ett batteri som inkluderar grafen i sin tillverkningsprocess kan denna laddningstid gå ner till så lite som 20 minuter (men var redo på att behöva använda en 60W adapter). Det som gör den stora skillnaden är de faktum att grafen-batteriet kan laddas via en 60W adapter medan ett litium-jonbatteri inte kan det (åtminstone inte över lika lång tid) då det blir för varmt. Ännu bättre är att ett grafen-batteri tål fler laddningscykler, 1500 cykler mot li-jonbatteriets 600 cykler (ColdFusion 2020). En så pass stor ökning av laddningscykler ökar livslängden på batteriet markant och innebär att vi kan få ut mer av våra ändliga naturresurser än vad vi annars skulle fått ta del av. Dessutom innebär detta att det tar längre tid innan batteriet blir dåligt och måste gå igenom en kostsam återvinningsprocess. Bäst av allt, det är säkrare, grafen-batteriet genererar mindre värme då grafen är en mycket bättre termisk och elektrisk ledare (ColdFusion 2020). Dessutom menar Samsung att deras version av grafen-batteritekniken skulle innebära en förbättrad energidensitet på närmare 30% mer än li-jontekniken (ColdFusion 2018).

Precis som all annan teknik kommer även grafen-batterier med problem. Dels är det en fråga om kostnad, grafen-batterier sägs kunna öka kostnaden på batteridelen i en smartphone med runt 30% (ColdFusion 2020), dessutom är det en fråga om att kunna massproducera utefter den nya tekniken för att kunna leverera till konsumenterna. Kostnaden för grafen har länge varit väldigt hög och vi väntar fortfarande på effektivare produktionsmetoder för att kunna sänka denna kostnad, något som bland annat Samsung jobbar på. Även värt att notera att kostnaden varierar beroende på vilken kvalitet av grafen som önskas. Graphenea (2020) menar dock att grafen redan skulle vara kostnadskonkurrenskraftig inom vissa applikationer.

Kostnaden är inte heller allt. Vi ser mycket stora problem framför oss i samband med att batterier ska återvinnas på ett hållbart vis, något som främst appliceras på li-jontekniken och moderna teknik. Äldre teknik såsom blybatterier återvinns redan i mycket större utsträckning då återvinningsprocessen mognat över åren sedan dess uppkomst (ColdFusion 2019a). I ett litiumbatteri finns det allt från metalloxider, fosfater, aluminium, koppar, grafit och organiska elektrolyter men också skadliga litiumsalter och olika plaster. Tar vi inte hand om ämnena i våra batterier så är risken stor att vi skadar vår miljö. Idag är cirka 95% av alla litium-jonbatterier antingen på ett lager någonstans eller ute i en soptipp (Coldfusion 2019a). Dessa batterier riskerar att explodera eller skada naturen på grund av alla giftiga ämnen.

Som tur är sker det utveckling vad det gäller återvinning av dessa batterier men det är en bit kvar innan vi når det ultimata. Enligt Rob Sommerville på The Faraday Institution så beskriver inte förpackningen tillräckligt väl vad det är som befinner sig i batterier, något som gör det markant svårare att återvinna. En av de nyare metoderna för att återvinna är den hydrometallurgiska återvinningsmetoden. Den går ut på att batterierna bryts upp av en slags krossmaskin för att sedan separera komponenterna. Bland annat kan man separera den volatila elektrolyten, plast och den svarta massan (elektrodens beläggning). Därefter kan man lösa upp den svarta massan i syra för att sedan separera de olika metallerna och till slut få ut ett rent salt av olika metaller som var i batteriet.

En annan process för återvinning är den biologiska biolaknigen som utnyttjar några olika slags syror och bakterier för att i slutändan få ut 100% av kopparen, 100% av all litium och 75% av all aluminium. Allt tack vare ett par glupska bakterier som bajsar ut väldigt små, fina partiklar av metalloxider. Tråkigt nog är processen väldigt långsam men det visar i alla fall att vi rör oss framåt i ett återvinningsperspektiv kopplat till dessa giftiga och skadliga batterier.

Snart har din mobil ett batteri baserat på grafen i sig!

Det har ryktats om att Samsung ska implementera sin egen implementering av grafen-batteritekniken till sina smartphones i flera år nu. Hittills har det inte sett ut att hända något trots att ryktena talat för att detta skulle ske runt år 2020–2021 (Android Authority 2019). Vi är däremot fullt medvetna om att Samsung håller på och utvecklar sin egen version och att företaget gjort upptäckter inom tekniken.
Samsung har använt sig av väldigt små bollar av grafen som täcker anoden och katoden i batteriet. Samsung menar att det gör det möjligt för deras batteri att ladda närmare 5 gånger så snabbt som ett normalt litium-jonbatteri. När grafenbollarna täcker katoden så bidrar dessa bollar med att minska de skadliga reaktioner som uppstår vid långgående laddning. Dessutom hjälper grafenbollarna till med att göra strömflödet effektivare (ColdFusion 2018).

Ett företag som lyckats lansera en produkt på grafen-batteritekniken i form av en powerbank menar att dom skulle blanda grafen med litium samt bruka ett kompositskikt (ett ark av grafen i litiumbatteriet). Detta skikt agerar ledare för elektriciteten och genererar mindre värme (ColdFusion, 2020). Det går med andra ord att kalla denna typ av batterier för mer av en hybrid eller vidareutveckling på litiumtekniken än en totalt ny och revolutionerande teknik, en iteration mot det bättre helt enkelt.

Potentialen för grafen-batterier är enorm! Vi kan nämligen ta vara på alla fördelarna som tillkommer med grafen redan i dagens smartphone. Enligt Samuel Gong – VD på Real Graphene – krävs det inte mer än att byta batteriet med li-jontekniken till ett av deras grafen-batterier (ColdFusion 2020). Det innebär att det finns hur många applikationer som helst för tekniken och att den kan utnyttjas direkt efter det att massproduktionen är i full gång. Minst sagt mycket lovande för framtiden för batterier som av många påstås vara framtiden. Detta beror bland annat på att förnybara energikällor såsom vind- och solkraft lever ett eget liv där vissa krav måste uppnås för att generera elektriciteten. Till exempel går efterfrågan på elektricitet upp när det börjar bli mörkt samtidigt som solpanelerna blir ineffektivare på grund av avsaknaden till solljus. För att se till att det går att komma över energi även när de förnybara energikällorna inte är som effektivast anses batterier vara en vettig lösning. Detta då batteriet kan lagra överskottet under goda förhållanden och förvara tills när förhållandena för energikällorna blir sämre och det blir ett underskott på elektricitet – då batterierna sparkar i gång. Vilket man gör för att undvika behöva använda fossila bränslen för elproduktion som tenderar att förorena. Något som redan sker i till exempel södra Australien där Tesla fått chansen att bygga en ”battery storage facility” (ColdFusion, 2019b).

Men är det faktiskt 2.0?

Svaret på frågan i rubriken skulle nog vara ett ”nja”, kanske inte ett 2.0 men ett 1.5, litium-jonbatterier på steroider – eller i detta fall, grafen. Tekniken bygger på litium-jonbatterier och förbättrar egentligen på några av nackdelarna hos litium-jonbatterier, men detta på en bekostnad, vi pratar om ca 30% extra kostnad för själva batteriet i din mobil. Till dess att priset på grafen sjunker och att massproduktionen sparkar i gång dels för grafen men också för själva batterierna är grafen-batterierna inte redo för att ta över världen och det är inte heller en totalt revolutionerande teknik. Flera av problemen hos li-jonbatterierna kvarstår framför allt i ett återvinningsperspektiv men också brandrisk för elektriska fordon. Det positiva är att vi – som tidigare benämnt – åtminstone kan få ut en längre livslängd på batterierna och därmed dra ut på tiden innan vi behöver återvinna batterierna. Plus det faktum att vi som användare snabbare kan ladda upp våra batterier. Men det är inte förens en ny teknik kommer och ersätter litium-teknik eller grafen-tekniken – om den hinner ta över – som vi kan se en 2.0; Se grafen-tekniken som en övergångs-teknik tills vi upptäcker/uppfinner något bättre. Förslagsvis kan aluminium-jonbatteriet bli en 2.0? Det finns en marknad nu, mer än någonsin förut, fler och fler typer av batterier kommer att introduceras, främst tack vare framgången hos elbilsmarknaden. Något vi alla bör vara exalterade över! 

Källhänvisning

The Verge. (2016). Samsung is being sued over a Note 7 that allegedly burned a man. https://www.theverge.com/2016/9/16/12948988/samsung-sued-exploding-note-7-injuries (22-05-27)

The Guardian. (2016). Don’t use Samsung Galaxy Note 7 on planes, warns air regulator. https://www.theguardian.com/world/2016/sep/09/dont-use-samsung-galaxy-note-7-on-planes-warns-air-regulator (22-05-27)

NBC News. (2017). Samsung Finally Explains the Galaxy Note 7 Exploding Battery Mess. https://www.nbcnews.com/tech/tech-news/samsung-finally-explains-galaxy-note-7-exploding-battery-mess-n710581 (22-05-27)

Wikipedia. (2022). Batteri. https://sv.wikipedia.org/wiki/Batteri (22-05-17)

Apple. (????). Apples litiumjonbatterier https://www.apple.com/se/batteries/ (22-05-17)

How-To Geek. (2018). Why Do Lithium-Ion Batteries Explode? https://www.howtogeek.com/338762/why-do-lithium-ion-batteries-explode/ (22-05-27)

Android Authority. (2019). Samsung reportedly close to releasing new, faster charging battery technology. https://www.androidauthority.com/samsung-graphene-battery-1018569/ (22-06-03)

ColdFusion. (2020). Major Breakthrough: Graphene Batteries FINALLY Hit the Market. https://www.youtube.com/watch?v=dnE1nO6o-do (22-05-17)

ColdFusion. (2018). Samsung’s New Graphene Battery. https://www.youtube.com/watch?v=Go2g_BNpG_Y (22-05-17)

ColdFusion. (2019a). Batteries, Recycling and the Environment. https://www.youtube.com/watch?v=oKFOqMZmuA8 (22-06-03)

ColdFusion. (2019b). Yes, Batteries Are Our Future. Here’s Why. https://www.youtube.com/watch?v=dOn-L6nUS54 (22-06-01)

Adam Something. (2022). Was I WRONG About Electric Buses? https://www.youtube.com/watch?v=B78-FgNqdc8 (22-06-05)