Syv års arbejdsro til vild forskningside

Batterier har revolutioneret verden og gjort alt fra mobiltelefoner og bærbare computere til Teslaer muligt.

Batterier er dog langt fra perfekte, da de både indeholder giftige stoffer og har en relativ kort levetid, og derfor er der fortsat behov for at videreudvikle batterier mod at blive bedre i fremtiden.

Nu har  lektor Dorthe Bomholdt Ravnsbæk fra Institut for Fysik, Kemi og Farmaci fået en stor NERD-bevilling på 13 mio. kr. af Novo Nordisk Fonden samt syv års arbejdsro til at lægge fundamentet for den næste revolution i batteriforskningen.

- Bevillingen betyder vildt meget, fordi jeg nu kan tillade mig at sætte nogle højrisikomål i min forskning, og  jeg kan forsøge at løfte nogle meget svære opgaver. Med syv år til at arbejde i kan jeg sætte mine ambitioner meget højt, så det gør jeg, siger hun.

Uorden er batteriers akilleshæl

Dorthe Ravnsbæks vilde forskningsidé sigter mod at bringe batterier det næste skridt i dets udvikling.

Elektroder i batterier består generelt af velordnede faste stoffer, hvor atomerne i elektroderne sidder i strukturer med høj grad af rumlig orden. Når strøm flyder fra batteriet, flyttes der ioner mellem elektroderne, og denne proces kan ændre på graden af orden i elektroderne, og over tid kan elektroderne blive dårligere til at lede strøm.

Her kommer så det spørgsmål, som Dorthe Ravnsbæk med NERD-bevillingen i ryggen forsøger at besvare: Hvordan kommer uorden i elektrodematerialet til udtryk i batteriets funktion, og hvordan ser det ud for forskellige typer af elektrodematerialer?

- I de seneste år har jeg arbejdet med at udvikle teknikker, så man med røntgen kan kigge ind i elektroderne og se, hvordan atomerne sidder i forhold til hinanden, mens batteriet kører. Man kan også se, hvordan ordenen i elektroderne ændrer sig, og hvordan det kommer til udtryk i batteriets ydeevne, forklarer hun.

Viden kan være med til at lave bæredygtige batterier

Sigtet med forskningsarbejdet er at lave et grundvidenskabeligt fundament for udvikling af bedre batterier. Når forskere først har overblikket over, hvad strukturen af forskellige materialer i batterielektroder har af betydning for et batteris ydeevne, kan de eksempelvis se sig om efter mere miljøvenlige materialer at be-nytte i batterier.

Nutidens batteriproducenter benytter i høj grad elektroder med kobolt, der for størstedelens vedkommende bliver trukket op af jorden i Congo. Men en mulighed er, at Dorthe Ravnsbæks forskning viser, at elektroder af jern, mangan eller titan fungerer lige så fint som kobolt. I dag bliver de nævnte grundstoffer ofte udelukket, fordi de ikke leverer den fornødne batteriydeevne på grund af uordnede atomare strukturer.

Sådan behøver det dog ikke at være.

- Kobolt er voldsomt forurenende, så der er nogle klare miljøperspektiver i at kunne skifte kobolt ud med andre materialer. Det kan også vise sig, at de uordnede materialer kan give batterier længere levetid, fordi vi med en større forståelse af strukturen i elektroderne bedre kan kontrollere, om uorden skader eller gavner batteriet, siger Dorthe Ravnsbæk.

Kan ende med bedre batterier til pacemakere

Dorthe Ravnsbæk fortæller, at der inden for life science også er store perspektiver i hendes forskning. Det mest oplagte er inden for batterier, som bliver sat ind i kroppen, eksempelvis i en pacemaker. Pacemakere bliver holdt i gang af batterier, der ligesom andre batterier indeholder uhensigtsmæssige stoffer i elektroderne, og der er det en klar fordel, hvis nogle af disse stoffer kan udskiftes med andre, der ikke kommer med den samme risiko for helbredet.

Et andet perspektiv inden for life science er selve de teknikker, som Dorthe Ravnsbæk udvikler til at studere de uordnede systemer i elektroder. De samme teknikker i form af røntgenundersøgelser og databehandlingsprogrammer kan muligvis benyttes til også at studere uordnede systemer i naturen, eksempelvis til bedre at forstå celler og biomembraners atomare strukturer.

- Det er en stor opgave. Den er ikke så svær at løse for det enkelte batterisystem, men skal vi overordnet forstå sammenhængen mellem, hvad vi anvender i batterier, hvordan uorden opstår, og hvad det betyder for et batteris ydeevne, er det en svær opgave, fordi der kan være 100.000 forskellige kombinationer af materialer, der har indflydelse på systemet. Derfor er vi nødt til at gå til opgaven på en klog måde, så vi får udviklet nogle modelsystemer, der kan kortlægge de her sammenhænge generelt. Det drejer sig ikke bare om at skyde røntgen ind i batterier og se, hvad der sker. Der er meget metodeoptimering i det her, siger Dorthe Ravnsbæk.

Bevillingen til Dorthe Ravnsbæk er givet som en del af Novo Nordisk Fondens nye forskningsprogram NERD (New Exploratory Research and Discovery). I programmet støtter fonden vilde og kreative forskningsideer inden for naturvidenskab og teknisk videnskab. Det nye program er målrettet ambitiøse, dedikerede forskere, der prioriterer at forfølge egne kreative ideer i laboratoriet og ønsker at fastholde fokus på et emne over lang tid for derigennem at frembringe ny original viden. Fonden har afsat i alt knap 300 mio. kr. til programmet.