Eg elskar statistikkar. No er det IEA Key world energy statistics 2020 som får gjennomgå. Ved hjelp av Excel har eg funne ut at medan bruk av fossile brennstoff stig jamt og trutt, aukar bruken av elektrisk energi mykje meir. Faktisk auka han dobbelt så mykje i perioden 1973–2018. Kvifor?

Store tenkjarar som Nietzsche, Beethoven og Einstein gjekk tur for å verta inspirerte. Eg tek på meg dei trådlause hovudtelefonane, set på Spotify og ruslar til Bunnpris. Midt i musikken ringjer telefonen. Det er mor mi. Eg byrjar å le. «Kvifor ler du, Per?» «Av di du gav meg svaret på det eg går og grunnar på. Takk mor.»

Årsaka til den auka bruken av elektrisk energi er at brukarane har fjerna seg meir og meir frå straumnettet. Straumnettet kan no nærast samanliknast med telenettet. I kjernen har me eit fast nett i form av kraftverk og fordelingsnett. I telenettet har me mobilbasar for å nå sluttkundane, medan batteriladarar gjer same nytta i straumnettet. Batteriet har gjort det mogleg å bruka elektrisk energi overalt heile tida. Til og med ferja over Sognefjorden har kutta straumkabelen. Ikkje rart at forbruket, til liks med rekninga, stig.

Denne revolusjonen i menneskeleg åtferd kjem eine og åleine av den moderne teknologiske utviklinga av batteriet. Det vert snakka mykje om innovasjon, men ofte har me ein tendens til å oversjå dei mest iaugefallande. Det er på tide å kika nærare på batteriet.

Batteriet er nærast fråverande i læreplanane til skulane, men heldigvis har eg fysikkboka mi frå gymnaset. Ho er fylt til randa med basalkunnskap.

Lat oss starta med kontaktspenning. Når to metall kjem tett på kvarandre, vil det metallet som lettast gjev frå seg elektron, gje elektron til det andre metallet, og det vert ein spenningsskilnad mellom dei. Skilnaden mellom aluminium og sylv som me nytta for å reingjera sylv, er -2,46 volt. Er det mogleg å få større spenningsskilnad? Det er berre å sjå på spenningsrekka. Lengst nede tronar det reaktive metallet litium med -3,05 volt relativt til hydrogen. Ikkje rart at dei mest populære batteria i dag er litium-ion.

Før me opnar eit moderne batteri, kan det vera lurt å sjå på ei klassisk battericelle i læreboka. I figur 1 ser du eit såkalla Daniell-element. Den eine elektroden av sink er bada i sinksulfat (ZnSO4) og den andre av kopar i koparsulfat (CuSO4). Både ZnSO4 og CuSO4 i væske er elektrolyttar, då dei inneheld Zn(2+), Cu(2+) og SO4(2e-). Spenningsskilnaden mellom sink og kopar er -1,1 volt, og det er sink som lettast gjev frå seg elektron, dimed vert dette den negative polen på batteriet. Sinksulfidet gjev elektron til sinkelektroden, medan koparelektroden gjev elektron til kopariona, slik at dei legg seg som kopar på koparelektroden. Dei positive sinkiona frå sinksida og dei negative SO4(2-) frå koparsida går gjennom saltbrua og får elektrona til å gå rundt i den ytre krinsen. Når iona vert transporterte gjennom battericella, vert det utvikla varme.

Det var i Trondheim, for ti år sidan, at eg såg ein Tesla Roadster for fyrste gong. Bellona viste han stolt fram til NTNU-studentar. Med Think i tankane tenkte eg at det ikkje var noka framtid for elbilar. Kor feil eg tok. Teslas suksess ligg bokstaveleg framfor føtene våre. Under heile bilen ligg ei mengd samankopla battericeller som gjev nok energi til å frakta fleire tonn stål sutlaust over 50 mil.

Battericellene i ein Tesla liknar dei me alt har sett på. Skilnaden ligg i bruken av moderne materialteknologi, og at ein har berre éin elektrolytt. Det er berre å leggja seg på sofaen, starta YouTube og søka på «litium-ion-batteri». Orkar du ikkje det, kan eg gje deg eit resymé.

På den negative sida av litium-ion-battericella har me litiumatom i eit metalloksid, og på den positive sida lagdelt grafitt. Mellom dei er det ein litium­-
s­altelektrolytt som inneheld ion og dimed er elektrisk ledande. Når me ladar opp battericella, flyt elektron frå litiumatom gjennom den ytre krinsen og vert fanga inn i grafitten. Positive litium-ion går gjennom elektrolytten og legg seg mellom grafittlaga. Elektrolytten er slik laga at fyrste gongen dei positive litium-iona går gjennom elektrolytten, vert det danna eit sjikt som stengjer elektron frå å gå direkte gjennom batteriet. Dette hindrar uynskt utlading.

Når battericella vert brukt, går elektron via den ytre krinsen tilbake til den negative sida med metalloksidet. Litiumatoma går tilbake gjennom elektrolytten, fangar så opp eit elektron og legg seg på plass i metalloksidet igjen. Reint fysisk er metalloksidet gjerne festa på aluminiumsfolie og grafitten på koparfolie med elektrolytten og ein separator mellom (figur 2). Det heile vert så tvinna til éin sylinder. Spenninga til ei slik battericelle ligg på mellom 3 til 4,2 volt, og straummengda er om lag 3400 mAh. Gongar ein saman tala, får ein at ei battericelle kan levera i overkant av 10 Wh. For å få 375 volt og 85 kWh treng Tesla 7104 små battericeller, eit kjølingssystem med glykol og eit styringssystem for optimal bruk av batteriet. Det er forresten Panasonic som lagar battericella.

Kva ynskjer ein av eit batteri? Jo, at det skal vega minst mogleg, kunne gjenbrukast mange gonger, vera fullt av energi og vera lite brannfarleg. Forskarane syslar no med betre litium-ion-celler i tillegg til konkurrentar som litiumsvovel- og faststoffceller. Dei to sistnemnde er både meir energirike og mindre brannfarlege enn litium-ion.

Eg vaknar med eit rykk. Kva har eg sett, og kva er draum? Éin ting er i alle fall sikkert. Tesla Roadster-en som surrar rundt i bane rundt jorda, er betalt med norske skattepengar og vil enda opp som romsøppel.

Per Thorvaldsen

per.eilif.thorvaldsen@hvl.no