Metall-luft-batterier
Metall-luft-batterier er en type energilagringssystem som genererer elektrisitet ved hjelp av en metallanode, en elektrolytt og oksygen fra luften som katode.[1] Disse batteriene har høy energitetthet, noe som gjør dem attraktive for bruk i transportsektoren og stasjonær energilagring.
Virkemåte
I metall-luft-batterier oksideres metallet ved anoden for å produsere elektroner. Disse elektronene føres gjennom en ekstern krets og reagerer med oksygen ved katoden, hvor de produserer en kjemisk forbindelse (ofte et metalloksid eller metallhydroksid) som sluttprodukt.[2] Den generelle reaksjonen for et metall-luft-batteri kan skrives som:
Selv om prinsippet er enkelt, krever drift i praksis en stabil elektrolytt, god lufttilførsel, og en effektiv katalysator for oksygenreduksjon ved katoden.
Energitetthet
Metall-luft-batterier har en energitetthet som kan være betydelig høyere enn i tradisjonelle oppladbare batterier som litium-ion. For eksempel har aluminium-luft-batterier en energitetthet på opptil 1300 Wh/kg, sammenlignet med rundt 250 Wh/kg for litium-ion-batterier.[3] Litium-luft-batterier kan under ideelle forhold komme opp mot 1700 Wh/kg på celle-nivå, men er fortsatt under utprøving.[4]
En sammenligning av energitetthet for utvalgte metall-luft-batterier er vist i tabellen nedenfor:
| Batteritype | Energitetthet (Wh/kg) |
|---|---|
| Litium-luft | 1700 |
| Aluminium-luft | 1300 |
| Sink-luft | 300–400 |
| Litium-ion | 250 |
Typer metall-luft-batterier
- Litium-luft – Meget høy teoretisk energitetthet, men praktiske utfordringer knyttet til fuktsensitivitet, reell syklisk levetid og sikkerhet.
- Aluminium-luft – Svært attraktivt pga. billig og lett tilgjengelig metall. Utfordringer med korrosjon og håndtering av biprodukter.
- Sink-luft – Allerede brukt i små batterier (f.eks. høreapparater). Gjenoppladbare varianter er under utvikling for stasjonære lagringsløsninger.[5]
- Jern-luft (Iron-air) – Relativt lav energitetthet, men kan være attraktivt for stasjonær lagring på grunn av billig og robust råmateriale.[6]
Fordeler og utfordringer
En av hovedfordelene med metall-luft-batterier er den høye energitettheten, som kan føre til lengre rekkevidde i kjøretøy og mer kompakt energilagring for stasjonære formål. Enkelte metaller, som aluminium og sink, er dessuten rimelige og allment tilgjengelige, noe som kan gi reduserte kostnader på sikt.[1]
Det finnes imidlertid flere utfordringer:
- Korrosjon og degradering: Metallet kan reagere med elektrolytten og danne biprodukter som reduserer batteriets levetid.
- Lav lade- og utladningseffektivitet: Katalysatorer for oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR) ved katoden er ofte dyre (f.eks. basert på platina), og utvikling av mer robuste, rimelige katalysatorer er pågående.[2]
- CO₂-kontaminasjon: I åpne metall-luft-design kan karbondioksid fra luften reagere i elektrolytten og danne karbonater, som kan tette porene i elektroden og svekke ytelsen.[7]
- Temperaturfølsomhet: Metall-luft-batterier kan ha begrenset ytelsesområde, spesielt under veldig kalde eller varme forhold.[8]
Bruksområder
Metall-luft-batterier har et stort potensial i elektriske kjøretøy og stasjonær energilagring, der høy energitetthet er viktig. For eksempel kan aluminium-luft-batterier by på vesentlig lengre rekkevidde enn dagens litium-ion-løsninger, men er foreløpig ikke fullt gjenoppladbare på en enkel måte.[9] Sink-luft-batterier er allerede kommersialisert i småskalaapplikasjoner, f.eks. høreapparater, mens gjenoppladbare (sekundære) varianter av sink-luft er under intensiv forskning for større systemer.
I stasjonære energilagringsløsninger kan metall-luft-batterier lagre store mengder energi over lengre tidsperioder, noe som er gunstig for balansering av fornybare kraftkilder som sol og vind. Forskning pågår for å øke levetiden og redusere kostnadene, slik at metall-luft-teknologien kan benyttes i storskala energilagringsprosjekter.[10]
Referanser
- ↑ 1,0 1,1 Zhang, T., & Zhao, X. (2021). "Advances in Metal-Air Batteries: An Overview." *Energy Storage Materials*, 34, 1-16. DOI:10.1016/j.ensm.2021.01.001.
- ↑ 2,0 2,1 Chen, H., et al. (2020). "Electrochemical Mechanisms of Metal-Air Batteries." *Electrochimica Acta*, 345, 136202. DOI:10.1016/j.electacta.2020.136202.
- ↑ Yang, S., et al. (2022). "Comparative Analysis of Energy Density in Metal-Air Batteries." *Journal of Energy Chemistry*, 61, 345-354. DOI:10.1016/j.jechem.2022.03.004.
- ↑ Wang, L., & Li, B. (2023). "Innovations in Rechargeable Metal-Air Batteries." *Electrochemical Energy Reviews*, 9, 010302. DOI:10.1016/j.eerr.2023.010302.
- ↑ Li, F., et al. (2021). "Rechargeable Zn-Air Batteries: Progress, Challenges and Perspectives." *Nano Energy*, 80, 105533. DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105533.
- ↑ Choi, K., & Park, M. (2021). "Fe–Air Battery: A Promising Option for Large-Scale Energy Storage." *Batteries & Supercaps*, 4(5), 843–856. DOI:10.1002/batt.202100034.
- ↑ Sun, H. et al. (2021). "CO₂ Contamination Effects on Air Cathodes in Metal-Air Batteries." *Electrochimica Acta*, 387, 139-150. DOI:10.1016/j.electacta.2021.139150.
- ↑ Green, J. (2020). "Temperature Effects in Metal-Air Systems." *Advanced Energy Materials*, 10(15), 2000123. DOI:10.1002/aenm.202000123.
- ↑ Yang, H., et al. (2022). "Aluminum-Air Cells for Extended Range EVs." *Journal of Power Sources*, 502, 230-245. DOI:10.1016/j.jpowsour.2021.230245.
- ↑ Huang, D., & Chen, K. (2023). "Stationary Metal-Air Energy Storage for Grid Balancing." *International Journal of Energy Research*, 47, 1895–1906. DOI:10.1002/er.11549.