Flödesbatteri

I gårdagens artikel dissekerade vi en battericell. Den relativt enkla uppbyggnaden ger för hand att enklaste sättet att höja batteriernas kapacitet är att rulla ihop längre folier och stoppa i battericellen. Men kapaciteten begränsas ändå av hur mycket material som är inuti battericellerna, hur mycket elektroner den kan lämna ifrån sig. När väl alla jonerna har vandrat från katoden kan cellen inte lämna ifrån sig mer el.

Flödesbatterier är ett lovande försök att få till batterier med mycket högre kapacitet, batterier som inte begränsas av hur mycket materia man kan klämma in i själva battericellen. Sättet flödesbatterier fungerar påminner ytterst vagt om litiumjonbatteriers så mycket att joner vandrar, men i övrigt är de totalt olika.

Ett flödesbatteri består av en behållare med två vätskor separerade av en membran, en tunn tunn sil. Vätskornas molekyler är för stora för att kunna ta sig genom silen så de två vätskorna förblir separerade och kan inte blanda sig med varandra.

När man laddar batteriet slits joner loss från molekylerna i ena vätskan. Jonerna är så pass små att de kan ta sig igenom de mikroskopiska hålen i membranet och ingå i kemisk reaktion med den andra vätskan. Medan batteriet laddas förs fler och fler joner över från ena sidan till den andra. Det finns olika slags flödesbatterier med olika slags vätskor, bilden ovan illustrerar endast en möjlig kemisk variant av dem alla. När batteriet urladdas sker det omvända, jonerna vandrar åt andra hållet genom membranet.

Det fina med flödesbatterier är att man inte är begränsad av hur mycket vätska man kan få plats med i battericellen. I takt med att vätskorna ha lämnat ifrån sig respektive tagit upp jonerna kan man pumpa in ny fräsch vätska från externa tankar. De tankarna kan vara enormt stora, som silos och miljonfaldiga battericellens kapacitet!

Dessutom kan flödesbatterier laddas på två olika sätt: antingen som traditionella batterier – eller så fyller man bara tankarna med de färdigladdade vätskorna! En bil med flödesbatterier skulle då kunna tankas på samma sätt som fossilbilar idag genom att hälla vätska i bilens tankar.

Det här låter ju väldigt bra! Så varför kör inte alla med flödesbatterier? (Eller snarare: varför kör nästan ingen med flödesbatterier?)

Det som i teorin låter bra har visat sig -än så länge- svårt att genomföra i praktiken.

Till att börja med har de flesta elektrolytvätskor ganska låg kapacitet, jämfört med litiumjonbatterier. Kan inte lagra tillräckligt mycket energi per liter. Medan det spelar mindre roll i stationära tillämpningar där man kan ha just stora silos att förvara vätskorna i blir det otympligt stora tankar i en bil. Flödesbatteriernas två tankar tar ännu mer plats än bränslecellsbilars vätgastankar! (Å andra sidan är de inte trycksatta med en explosiv gas, så de är säkrare iaf.)

Membranet som ska separera vätskorna är extremt ömtåligt. Minsta lilla orenhet i vätskorna kan täppa igen de mikroskopiska hålen. Skadas eller slits membranet ut så dess hål blir större och släpper igenom vätskemolekylerna börjar batteriet tappa effekt. Det är en sak att klara membranet i ett laboratorium – en annan sak att ta fram ett hållbart membran för vardagsbruk.

Och till slut är problemet med uteffekt: flödesbatterier må ha enorm kapacitet, men de har låg effekt. Tänk så här: om du jämför ett litet flödesbatteri med en vanlig battericell så klarar ett flödesbatteri kopplad till jättestora tankar att leverera el under lång tid – men den levererar fortfarande lika lite ström som en enda battericell. Även om du använder större flödesbattericeller behövs det flera stycken i parallell för att få ut tillräckligt med ström för att tex driva en bils elmotor.

Lyckas man överkomma dessa tre begränsningar kan flödesbatterier infria förhoppningarna och bli ett verkligt alternativ. Flödescellerna uppfanns på 1950-talet och mycket forskning har bedrivits av NASA och andra på 1970- och 80-talet. Idag utvecklar bla japanska Sumitomo stationära flödescellsanläggningar och schweiziska nanoFlowcell har utvecklat prototypbilen QUANT 48VOLT med flödescellsbatteri.

Med dagens teknologi tävlar flödesbatterier faktiskt inte så mycket mot batterielbilar som mot bränslecellsbilar. För precis som bränslecellsbilar behöver flödesbatterier stora tankar, massor med rör och pumpar och känsliga och dyra reaktionsceller. Fördelen mot bränslecellsbilar är att tankarna innehåller enbart vätska, inte gas under högtryck så alla delsystem kan göras enklare och blir säkrare.

För att kunna tävla mot batterielbilar måste flödesbatteriers vätskor bli energitätare och battericellerna med membranen billigare, pålitligare och slitstarkare. Det kommer inte ske över en natt, men teknologin i sig är väl värt att hålla ett vakande öga på!