Li-batteriets historia i blixtbelysning

av Daniel Brandell

Professor Emeritus Josh Thomas, Uppsala Universitet, fyllde 80 år i somras, vilket uppmärksammades med ett dedikerat symposium i förra veckan i Uppsala. Detta samlade många av batteriforskningens forna och nuvarande giganter, vilka på symposiet satte batteriforskningens historia i blixtbelysning. Josh är fortfarande högst aktiv i batteri-Sverige och har de senaste femton åren fokuserat på att bygga företaget LiFeSiZE, som driver en pilotlina för tillverkning av högkvalitativa elektroder och batterier i industriellt format. Han är tveklöst en av fältets nyckelspelare, med ett massivt internationellt nätverk, aktiv inom en stor rad av områdets olika discipliner, och har genom åren gett ett enormt bidrag till att förse relevant industri och akademi med kunniga och effektiva efterföljare. Det går inte att överskatta Josh betydelse för batteriforskningen och batteriforskningsmiljön, inte minst in Sverige, men också internationellt.

När Nobelpriset 2019 tillägnades de grundläggande upptäckterna för att realisera Li-jonbatterier så sammanfattades både teknikhistorien och utvecklingen av det vetenskapliga fältet på ett föredömligt sätt i olika publikationer [1]. Men det finns många dimensioner och bottnar i historien om Li-jonbatteriet, och väldigt många väsentliga aktörer som – i alla fall inte ännu – fått Nobelpris. På symposiet var det flera talare som lyfte upp ett antal händelser under det sena 1970-talet, vilka sammantaget accelererade intresset för elektrokemisk energilagring och nya batterikemier, och som också drog in Sverige i stormens öga.

Josh själv hade vid denna tidpunkt precis gjort ett bländande kristallografiskt arbete [2], som kanske kan anses vara hans mest betydande vetenskapliga bidrag. Detta gav nya möjligheter till att använda diffraktionsmetoder för att förstå den atomära strukturen i fasta material, bland annat många av de som används som elektroder eller elektrolyter i Li-batterier. Kristallografi har varit och är fortfarande en av de mest väsentliga teknikerna för att förstå det fasta tillståndet och dess elektrokemi. En epokgörande konferens ägde rum 1978 i St Andrews i Skottland, där aktörer från både industri och akademi kom samman och stakade ut riktningen för det nästkommande decenniet. Mötet i St Andrews var av den betydelsen att Sir Peter Bruce, som är från Skottland men idag är ledande batteriforskare i Oxford, beklagade att han hade varit allt för ung för att delta när det begav sig! Både nya material, nya cellkoncept och metodutveckling var i fokus under det sena 1970-talet, samtidigt som de första mer betydande internationella projekten tog sin början. Josh var en tydlig del av denna miljö, och var tidigt involverad i ”The Anglo-Danish advanced battery project” (där bl a Nobelpristagaren John Goodenough ingick) – en tidig version av dagens EU-projekt – vilket tog Li-batteriforskningen till Sverige. I det här landet fick därför Li-batteriforskningen en tidig tonvikt på materialvetenskapliga upptäckter och kompetenser, vilka gifte ihop sig med elektrokemiska motsvarigheter under ett par decenniers forskning.

Den här historien visar också på betydelsen av akademisk forskning och konferenser, och akademins pionjärroll för att skapa innovationer och nya industrier. Mot den bakgrunden gjorde Professor Hikari Sakaebe, Kyushu Universitet i Japan och en av Josh tidigare post-doktorer, en intressant utveckling på symposiet om hur den japanska finansieringsstrategin för batteriforskning varit kontraproduktiv. Japan ansåg tidigt att Li-jonbatteriet var en för industrinära produkt för att finansiera akademisk forskning, och tyckte att akademin uteslutande borde fokusera på nästa generations batterier. Detta gjorde dock i sin tur att man förlorade mycket av den initiativ man haft på 1990-talet avseende Li-jonbatterier och att utvecklingen stannade av.

En annan intressant observation under symposiet var hur forskningen kring polymerelektrolyter katalyserade stora delar av batteriutvecklingen. Detta har också konstaterats tidigare [3], och den avgörande roll som symposiumdeltagaren Professor Michel Armand haft avseende detta område. Polymerelektrolyter kan inte sägas i sig själva spela en avgörande roll i dagens batterilandskap, även om de används i nischapplikationer. Ändå har kunskaperna varit avgörande för flera av de upptäckter som gjorts i närliggande fält, både avseende Li-jonbatterier, Na-batterier och fastfasbatterier. ”Som mycket annan bra batteriforskning började det med polymerelektrolyter”, sa Ronnie Mogensen från Altris när han berättade om Josh roll för företagets utveckling. Även detta visar att forskning oftast inte utvecklas linjärt eller som prognosticerat, utan att vi behöver god fundamental forskning för att göra teknisk utveckling. Kopplingen däremellan är inte alltid glasklar, utan tar gärna omvägar, men är icke desto mindre högst väsentlig.

Med på symposiet var också ett antal före detta medarbetare vid företaget Danionics, där Josh varit djupt engagerad på 1990-talet. Danionics i Danmark var pionjärer i Europa avseende Li-jonbatteritillverkning, och hade som mest flera hundra anställda i Odense och med bland annat Apple som kunder. Tyvärr blev företaget hårt drabbat av IT-kraschen kring millennieskiftet, och flyttade över till Kina. Dock hann det med att skola in en hel generation europeiska batterikemister, och få in produktionsperspektiv och tillämpningar mycket tydligt även i svensk akademisk batteriforskning. Via Josh och andra medarbetare vid svenska lärosäten har den traditionen levt vidare, vilket säkerligen varit till stor nytta för den senaste tidens expansion av batteriindustri här.

Referenser

[1] https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019-2.pdfum-ion batteries

[2] G. Malmros, J.O. Thomas, “Least-squares structure refinement based on profile analysis of powder film intensity data measured on an automatic microdensitometer”, Journal of Applied Crystallography, 1977. DOI: 10.1107/S0021889877012680

[3] H. Zhang et al., “From Solid-Solution Electrodes and the Rocking-Chair Concept to Today’s Batteries”, Angewandte Chemie International Edition, 2020. DOI: 10.1002/anie.201913923