Historien bakom världens mest kraftfulla batteri som får Nobelpriset i kemi

Litium upptäcktes av svenskarna Johan August Arfwedson och Jöns Jacob Berzelius år 1817. Nu belönas tre kemister med Nobelpriset för att ha utvecklat fungerande batteriteknik med det lättaste fasta grundämnet.

Nu belönas John Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino med Nobelpriset för att ha utvecklat fungerande batteriteknik med det lättaste fasta grundämnet – litium.

Grundämnet litium skapades under big bang, men har inte varit känt för människan innan svenska kemisterna Johan August Arfwedson och Jöns Jacob Berzelius renade fram ämnet ur ett mineralprov från Utö gruva i Stockholm skärgård år 1817. Det var Berzelius som hittade på namnet litium, efter grekiskans ord för sten, lithos. Men litium är trots det stentunga namnet det lättaste fasta grundämnet. Svenskarna hittade inte metalliskt litium utan litiumjoner i form av ett salt. 

Hur elsäkra är batterilager?

Det som Stanley Whittingham drog nytta av i början av 1970-talet var ämnets enorma förmåga att släppa ifrån sig sin yttersta elektron. År 1980 lyckades John Goodenough fördubbla den positiva elektrodens potential och det gav förutsättningar för ett mycket starkare batteri. Den tredje pristagaren, Akira Yoshino, lyckades 1985 eliminera behovet av att använda rent litium och ersätta det med litiumjoner som är mycket säkrare. Det sista steget behövdes för att göra batteriet praktiskt användbart.

90-plussaren John Goodenough fortfarande aktiv i batteriutvecklingen

Finansieringen bakom Stanley Whittinghams grundforskning kom från oljebolaget Exxon som värvade honom från prestigeuniversitetet Stanford. Där hade han utforskat fasta material med förmågan att på atomnivå forma hålrum där laddade joner kunde sätta sig, så kallad interkalering. Exxon hade efter oljekrisen beslutat bredda sin verksamhet och rekryterade några av den tidens mest framstående energiforskare. Han fick friheten att forska om vad han ville, bara det inte handlade om olja eller bensin. Stanley Whittingham började undersöka supraledande material. Först ut var tantal som han och hans team upptäckte hade mycket hög energidensitet. Då insåg han att forskningen skulle komma att handla om att lagra energi för framtidens elbilar. Men eftersom tantal är ett av de tyngre grundämnena och han inte tyckte att världen behövde ytterligare ett tungt batteri jämte blybatteriet försökte han ersätta tantal med titan som har liknande egenskaper men är mycket lättare. Litium användes som den negativa elektroden i det innovativa batteriet. Litium är det grundämne som allra lättast släpper ifrån sig en elektron.

Vätgasentusiasten: ”Vätgas känns definitivt säkrare än litiumkoboltbatterier”

Efter ett rekordkort möte med Exxons ledningsgrupp, en kvart behövde de för att ge honom grönt ljus, fick han i uppdrag att ta fram ett kommersiellt gångbart batteri. 

Men allt var inte frid och fröjd. När forskargruppen laddade litiumbatteriet upprepade gånger bildade tunna utskott av metallen från elektroden. När utskotten når katodsidan kortslöts batteriet och det hände flera gånger att kortslutningen orsakade explosioner i labbet. Till slut hotade brandkåren med att labbet skulle få betala för de speciella ämnen som behövs för att släcka litiumbränder. Dödsstöten för Whittinghams forskargrupp på Exxon kom när oljepriset sjönk. Oljejätten licensierade ut Whittinghams batteriteknik till tre olika företag i tre olika världsdelar. 

Batteribrand: ”Världens säkraste” solcellsbatteri som brann i Örebroskola

John Goodenough kände till Whittinghams batteri. Han trodde att katoden skulle kunna få en högre potential om den byggdes av en metalloxid istället för en metallsulfid. Han hade också påverkats av oljekrisen och ville bidra till att utveckla alternativa energikällor. Vid MIT:s Lincolnlaboratorium som finansierades av USA:s flygvapen tilläts inte den sortens forskning. Därför flyttade han till Storbritannien när han fick chans att leda en forskargrupp vid Oxforduniversitetet. Gruppen sökte aktivt efter en metalloxid med högt spänningstal när den interkalerade litiumjoner. Där Whittinghams batteri genererade spänning på drygt två volt nådde Goodenoughs litium-koboltbatteri nästan dubbelt så högt, till fyra volt. 

Batterilager kommer stort: Allt billigare solel skapar batteriboom – men inte i hemmen

Det var de japanska elektronikföretagen som skulle driva utvecklingen mot det tredje och avgörande steget. I väst hade intresset minskat för alternativ energiteknik. Och prisfallet på olja under 80-talet drog undan mattan för elbilsutvecklingen. Akira Yoshino, den tredje pristagaren, arbetade då vid Asahi Kasei Corporation. Han använde Goodenoughs litium-koboltbatteri som katod och försökte använda kolbaserade material som anod. Problemet med grafit, som kunde interkalera litiumjoner, var att den bröts ner av batteriets elektrolyt. Yoshinos genombrott kom med petroleumkoks, en restprodukt från oljeproduktion. När petroleumkoksen laddades med elektroner drogs litiumjoner in i materialet. När batteriet slogs på strömmade både elektroner och litiumjoner mot koboltoxiden i katoden, som har en högre elektrisk potential. En styrka med Yoshinos batteri, utöver den anmärkningsvärda spänningen på 4 volt var att det till skillnad från andra batteritekniker inte byggde på kemiska reaktioner utan på att det enda som transporteras är joner som rör sig genom elektrolyten mellan elektroderna utan att reagera på omgivningen. Det gör att batteriet blir så långlivat och går att ladda hundratals gånger innan prestandan blir för dålig. En annan stor fördel med Yoshinos batteri är att det är fritt från rent litium. Detta testade också Yoshino i ett labb där han lät släppa en stor järnklump på batteriet utan att något hände. När samma järnklump släpptes på ett batteri som innehöll metalliskt litium skedde en våldsam urladdning. Kommersiellt lanserades litiumjonbatterier 1991.

Källa: Kungliga Vetenskapsakademien