Rafhlöður framtíðarinnar þurfa að hafa eftirfarandi eiginleika: Léttar, með mikla orkurýmd, langan líftíma, snöggar að endurhlaðast, umhverfisvænar, endurvinnanlegar, öruggar án íkveikjuhættu. Erum við að gleyma einhverju?
Rafhlöður
Litlu sívölu AAA rafhlöðurnar sem við notum t.d. i sjónvarpsfjarstýringar eru í einfaldaðri mynd byggðar á þremur mismunandi þáttum. Plús skauti, mínus skauti og jónum sem flytjast frá einu skauti til annars með efnahvörfum. Við getum í raun litið á fullhlaðna rafhlöðu eins og fullan vatnsbrúsa með krana sem við lyftum upp á hillu (hlöðum) og skrúfum svo frá krananum. Endurhleðslan væri þá fólgin í því a) að setja meira vatn í brúsann með glasi eða slöngu (misstórri eftir hversu hratt við gætum sett vatn aftur í brúsann) b) með því að skipta bara um brúsa, sem er það sem flest okkar gera við AAA rafhlöðurnar.
Efnasamsetning í rafhlöðunni, skautunum, hvarfahólfinu og ytra byrði er það sem menn hafa verið að betrumbæta síðustu áratugi. Í grunninn er hleðslurafhlaðan í flestum tilfellum enn byggð á þessum sömu einingum og efnahvörfum þar sem jónir ganga fram (og til baka) og gefa frá sér raforku.
Rafhlöður taka stórstígum framförum
Undanfarna tvo áratugi höfum við endurtekið heyrt fréttir af uppgötvunum tengdum rafhlöðum. Þær hafa bæði komið frá háskólum, stofnunum og frá einkafyrirtækjum sem sjá tækifæri, t.d. í samvinnu við bílaframleiðendur í því að fara í hagnýtar rannsóknir og nýsköpun til að framleiða öflugri rafhlöður.
Rafhlaða endurhlaðin 200 þúsund sinnum
Árið 2016 birti hópur vísindamanna frá Kaliforníuháskóla, Irvin, grein þar sem þeir höfðu sett saman ör-rafhlöðu byggða á nanovírum (nanowires) úr gulli, húðuðum með mangantvíoxíði og inngreypt í acryl-electrolyte blöndu. Þessi samsetning kom í veg fyrir niðurbrot víranna og ör-rafhlaðan var hlaðin/endurhlaðin 200 þúsund sinnum án nokkurs mælanlegs niðurbrots. Það væri eins og að hlaða rafhlöðu einu sinni á dag til ársins 2570. Þrátt fyrir að þessi lausn sé sennilega í flóknara og dýrara lagi og hafi enn ekki náð neinni fótfestu, þá gefur hún vísbendingar um að til séu lausnir sem gera rafhlöður endurhlaðanlegar til áratuga eða árhundruða án þess að veikjast að nokkru ráði. Í heimi endurnýtingar og umhverfisverndar væri þetta eitt mikilvægasta skrefið fram á við.
Endingarbetri, meiri geymslurýmd, hraðari hleðsla
Þegar skoðaðar eru áskoranir varðandi plús- og mínusskautin, þá hafa menn talsverða vitneskju um eðli þeirra efna sem til greina koma en ekki eins vel hvaða vandamál liggja í endurteknum hleðslum/afhleðslum rafhlaðanna. Að baki hverju nýju framfaraskrefi liggja óteljandi tilraunir með mismunandi efnasamsetningar. Tilraunir á sviði efnafræði, eðlisfræði, efnisfræði og örtækni.
Á síðustu tveimur árum hafa borist fréttir af nokkuð stórum framfaraskrefum. Eitt fyrirtæki tilkynnti að þeim hefði tekist að framleiða kísil (silicon) húðað mínus (anode) skaut í li-ion rafhlöðu sem brotnar lítið niður og eykur rýmd rafhlaðna um 20-40%. Það þýðir að hægt væri að hafa mun minni/léttari rafhlöðu í bíl og hann fengi samt meiri drægni. Annað fyrirtæki tilkynnti svo að þeim hefði tekist að hlaða rafhlöðu með kísil (silicon) mínus (anode) skauti endurtekið upp í 80% á innan við 10 mínútum.
Á sama tíma og þetta er að gerast hafa fyrirtæki reynt að þróa það sem kallað hefur verið „solid-state“ batterí. Þau eru í raun frabrugðin hinum „venjulegu“ rafhlöðum í því að í stað hálffljótandi gelefnis er hart/steypt efni í rafhlöðunni. Eitt fyrirtæki gaf nýverið út gögn sem sýna 400 hleðsluhringi í röð upp í 80% hleðslu, 15 mínútur á hring, á solid state rafhlöðu Það gefur fyrirheit um hraðari hleðslu, minni íkveikjuhættu, meira kuldaþol og vonandi líka betri endingartíma. Það munu næstu ár leiða í ljós.
Alls konar afbrigði af rafhlöðum eru að líta dagsins ljós, rafhlöður án cóbalts (sem er dýr og sjaldgæfur málmur) á plús (cathode) skauti Li-ion rafhlaða, án nikkels, án lithium-ion, carbon nanotube rafhlöður, endurhlaðanlegar ál-rafhlöður, rafhlöður í yfirbyggingu farartækja og fleiri og fleiri eru í farvatninu.
Það má því búast við að innan nokkurra ára sjáum við t.d. bíla sem komast auðveldlega á bilinu 700 – 1200 km og munu geta stoppað á rafhleðslustöð í 5 mín til að taka næsta legg.
Samhliða þessu munu allir landflutningar frá litlum sendibílum upp í stóra flutningabíla verða rafvæddir á næstu 6-10 árum. Sú þróun er þegar byrjuð og það sama má segja um vinnuvélar.
Þróun rafhlaðna og n.k. þétta sem virka vel sem geymslurafhlöður gengur líka vel og og gætu komið sér vel, bæði til að geyma raforku á afskekktum stöðum og til að nota við stærri farartæki á sjó og landi.
Við stefnum óðfluga í átt að rafdrifnu flutningskerfi án eldsneytis. Stærsta áskorunin sem bíður er farþegaflugið milli landa.
Símarnir, snjallúrin, reiðhjólin, hlaupahjólin, mótorhjólin o.fl. fá líka samskonar umbætur í rafhlöðuendingu og endurhleðslu.
Allar framfarir byggjast á niðurstöðum grunnrannsókna
Allar framfarir og öll sú þekking sem hefur nýst í þróun rafhlaðna kemur úr sameiginlegum opnum niðurstöðupotti grunnrannsókna háskóla og rannsóknarstofnana. Því er algerlega nauðsynlegt að styðja áfram vel við grunnrannsóknir til að bæta í pottinn og halda jafnframt áfram að nýta niðurstöðurnar í hagnýtar rannsóknir og nýsköpun. Það er skylda allra samfélaga.
Höfundur starfar í djúptækni.
