Slik bygges et batteri trinn for trinn

De viktigste ingrediensene i et batteri er anoden, katoden og mellom dem en elektrolytt. Ioner strømmer gjennom elektrolytten fra anode til katode og tilbake igjen, avhengig av om du bruker strøm eller om du lader opp batteriet. Samtidig beveger elektroner seg frem og tilbake gjennom en ledning og skaper strøm.

Litiumionebatterier brukes i dag i telefoner og annen småelektronikk. Anders Brennhagen ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi prøver å utvikle det som kan bli fremtidens batterier, og han bruker natrium istedenfor litium i anoden.

Prinsippene bak og måten de settes sammen på, er den samme uavhengig om de inneholder litium eller natrium, og Brennhagen har god trening i å bygge slike batterier. Han har allerede satt sammen mer enn 500 av dem, og enda noen flere hundre må til før han er ferdig med doktorgraden sin.

– Kanskje jeg kommer opp mot 1000 før jeg er ferdig her, sier Brennhagen til Titan.uio.no.

Vi fikk være med inn i laboratoriet for å følge hele prosessen.

Hele byggeprosjektet foregår inne i det forskerne kaller en hanskeboks. Den inneholder ikke vanlig luft, men er fylt opp med edelgassen argon.

– Natrium reagerer veldig lett med vann, fuktighet som kan være i lufta og med oksygen. Vi vil ha så lite av dette som mulig for at natriumet skal holde seg så ferskt og fint som mulig, sier Brennhagen.

Kaster du en natriumklump i vannet, vil den reagere kraftig og skape en liten eksplosjon. Selv bitte litt oksygen vil føre til at det legger seg et oksidlag på utsiden. Natriumklumpen hans har tydeligvis reagert med oksygen på et eller annet tidspunkt, så her starter Brennhagen med å skjære dette fra overflaten.

Natrium i ren form er et veldig mykt metall. Brennhagen kjevler det ut og trykker ut en bit med en form som passer akkurat til batteriene. Det er nesten som å lage pepperkaker til jul.

– Metallet er litt hardere enn pepperkakedeig, men ikke mye.

Så er det frem med tannbørsten.

– Jeg børster den for å sørge for at overflaten er helt fersk i tilfelle det har dannet seg et lite oksidlag, men også for å få litt større overflateareal. Med større overflate blir den mer aktiv, forklarer Brennhagen.

Når natriumanoden er ferdig børstet, legger han den på plass i bunnen av batteriet. Oppå natriumet legger han en porøs separator av glassfiber.

– Det er for å ha et isolerende materiale som skiller anoden fra katoden så de ikke kommer i kontakt med hverandre. Separatoren leder ikke elektroner, men den er ganske porøs så det er god plass for ionene å gå gjennom, sier Brennhagen.

– Vi vil at separatoren skal være så tynn som mulig for å sørge for best mulig ledningsevne, men uten at det går ut over sikkerheten.

Det finnes eksempler på at batterier har blitt ubrukelige på grunn av for tynn separator.

Det er den flytende elektrolytten ionene beveger seg gjennom, og det er neste skritt.

– Separatoren suger til seg elektrolytten. Litt som når du dypper papir i vann. Man vil ha så lite som mulig, så lenge det fungerer bra. For de batteriene jeg lager, har jeg funnet ut at 80 mikroliter er passe. Jeg bruker det samme i alle for at de skal være så like som mulig, sier Brennhagen.

Siden han bygger batterier for å forske på dem, er det viktigere at de er helt like enn at de er optimalt laget. Mengden elektrolytt og størrelsen på de forskjellige delene ville vært viktigere hvis han skulle lage batteri til en telefon eller en annen liten duppeditt.

Når elektrolytten har trukket godt inn i separatoren, er det katoden som skal på plass. Den har Brennhagen laget selv på forhånd.

– Det er en ganske lang prosess. Først lager vi en gjørmelignende blanding med de materialene vi vil bruke. Deretter smører vi blandingen i et tynt lag ut over kobberfolie og lar den tørke før vi klipper ut katoder som passer inn i batteriet.

Helt til slutt legger han på en metallplate og en liten fjær.

– Metallplaten sørger for at katoden ligger flatt. Fjæra sørger for at det er nok trykk i batteriet slik at anoden og katoden blir presset mot hverandre – med separatoren imellom selvfølgelig – slik at det er god kontakt gjennom batteriet.

Nå kan Brennhagen legge på topplokket, og batteriet er ferdig. Det må først en liten tur innom en liten maskin som presser alt godt sammen.

– Der blir batteriet forseglet, og pressen sørger også for at det er bra trykk inne i batteriet så det er god kontakt, sier Brennhagen.

Han innrømmer at det er litt bittert at det står litium på lokket. Men det er helt sikkert noe det kommer til å bli orden på hvis natriumionebatteriene kommer i industriell produksjon.

Voila! Nå er batteriet ferdig og klart til bruk. «Bruk» betyr i dette tilfelle at det skal gjennom en serie med tester i nabolaboratoriet og bidra i Brennhagens jakt på morgendagens batterier.

Alle foto: Eivind Torgersen/UiO