Hur fungerar ett MGSPL (Magnesium-Sulfur Polysulfide Layer) - Batteri förresten? 

För att göra det enklare att förstå måste vi veta hur ett normalt batteri fungerar! 
Ett normalt batteri består av två strömavtagare, två elektroder och en elektrolyt

● Strömavtagare – består av tunt metallager och transporterar effektivt elektronerna från topp till botten. Det finns en strömavtagare på toppen och botten sidan av 
batteriet. 
● Katod -  Den positiva sidan av ett batteri där det sker en reduktion, alltså delen av batteriet som tar upp elektroner, och använder dem för kemiska reaktioner inom 
batteriet. 
● Anod - Den negativa sidan av ett batteri där det sker en oxidation. Det innebär att de frigörs av elektroner genom att bilda positiva joner Elektronerna går genom ett yttre krets och kan bilda elektriskt energi, vilket kan användas för värme eller ljus. 
● Separator - Isolerar anoden och katoden från varandra  
● Elektrolyt - Den delen av batteriet där det sker kemiska reaktioner. Den ska främst leda jonerna till katoden (eller anoden, beror på vilket batterityp). Elektrolyten leder joner inom batteriet för att skapa balans. Elektrolyter kan inte leda elektroner vilket är anledningen till varför elektroner tar en yttre krets genom en komponent. Utan elektrolyt skulle hela batteriet vara ostabilt. 

Intressant fakta 

• Batteriet kan skifta kemiska reaktioner 
  ○ Om batteriet är ett urladdnings batteri kan kemiska reaktionerna byta 
  position, i såna fall så blir katoden den negativa delen och anoden den 
  positiva delen, och vice versa såklart. 
  ○ Ett urladdnings batteri kan laddas och användas, det kan till exempel 
  vara powerbanks. 
  ○ Det som ändras när de byter plats är inte reaktionen som utförs hos 
  anoden och katoden, utan riktningen elektronerna och jonerna går i. 
  ○ Så när batteriet laddas, går elektronerna i motsatt riktning, i så fall 
  katoden blir negativt och anoden blir positiv. 
  ○ När batteriet används (vanligtvis) så är anoden negativt och katoden 
  positiv. 

Energitäthet 
För att kunna förstå hur batterier lagrar energi måste vi veta om energitätheten.  
Energitätheten handlar om hur mycket energi som kan lagras inom ett batteri, desto högre energitäthet en batteri har, desto mer kan den lagra energi inom ett litet komponent. 

• Mäts inom (Wh/kg) när det kommer till gravimetrisk energitäthet , alltså att jämföra batteriets vikt med energi
• Mäts inom (Wh/L) när det kommer till volymetrisk energitäthet, alltså att jämföra batteriets storlek med energin. 
  ○ Mätningarna hjälper oss identifiera om batteriet funkar bäst inom bärbara 
  apparater eller stora fordon. 
  ● Spelar en viktig roll för att… 
  ○ Tar till exempel en telefon, om vi skulle ha en telefon med låg energidensitet, 
  då skulle den vara hållbar såklart, fast det skulle vara tungt att bära med sig  →
  opraktiskt

Effektäthet 

• Handlar om hur snabbt ett batteri kan frigöra energi, mäts i (W/kg). Viktigt när 
  man vill skapa högpresterande apparater, som racer fordon eller elverktyg, där man behöver snabbt energi. 
  ● Fördelar med högdensitets batterier (hög energitäthet) 
  ○ Packar mycket energi inom smala apparater. 
  ○ Användbara och praktiska för telefoner, datorer och elbilar. 
  ○ Batteriet kan stimulera apparater för längre perioder utan att behöva ladda om och om igen. 
  ● Litium batterier är exempel på ett batteri med hög energitäthet. 
  ● Risker med högdensitets batterier 
  ○ Ett batteri som lagrar mycket energi inom en liten enhet kan också riskeras för bränder ifall batteriet upphetsas. 
  ○ Även efter säkerhetskontroll, så är det inte helt säkert att branden inte 
  uppkommer. 

Vad är det som skildrar ett vanligt batteri och ett Mgspl-Batteri?  
Ett Mgspl-Batteri är ett urladdnings batteri, den funkar nästan på samma sätt,  fast den har några förändringar vilket ger det mer goda egenskaper än ett vanligt batteri. En bra egenskap är att vi använder magnesium istället för litium, enklare att hitta, billigare och i helvis mer hållbara ämnen i skillnad till litium. Dessutom är svavel också lika billigt att använda. 

Som sagt innan, energitätheten är en mycket viktig faktor när det kommer till batterier, för att man behöver kunna veta hur mycket energi som kan lagras inom batteriet. Litium batterier är mer praktiska när det kommer till  gravimetrisk energitäthet, den kan lagra mer energi vikt viss i jämförelse med MgSpl batterier, exempel på apparater där vikten räknas mer är elflygplan, el sparkcyklar, militära utrustningar och satelliter. Men MgSpl batterier funkar bäst för volymetrisk energitäthet, där storleken spelar ett stort roll, och dessutom funkar bäst i denna generation, exempelvis på enheter där det är viktigt med storleken är smartphones, medicinska implantat och kameror. 

Processen av ett Mgspl-batteri 
1. Strömavtagare - Precis liksom litium batteriet , den är gjort av ett tunn 
metallager och fungerar som ett effektivt sätt att transportera elektroner genom 
det interna aktiva material och externa omkretsen. 
2. Mg - Inom anoden så lagras magnesium istället för grafit eller zink som den 
brukar göra. Magnesiumet lämnar sig av med två elektroner, och omvandlas 
till Mg²⁺. Ämnet förs vidare genom elektrolyten till katoden. 

𝑔 →𝑀𝑔2++ 2𝑒−
3. Elektronerna - Från anoden så ger sig elektronerna på väg till katoden genom 
den yttre kretsen som den brukar göra 
4. Katoden - I katoden så bevaras svavel. Svavlet reduceras och bildar ett 
negativt laddad svavel jon .  

S + 2𝑒− →𝑆2−
Så när de möts med magnesium. Den binds de på grund av att negativt laddade 
joner och positivt laddade joner attraherar varandra.  

M𝑔 + 𝑆→ 𝑀𝑔𝑆
Men problemet är att bindningen skapar inte bara MgS, utan också flera ämnen,  
liksom: MgS, MgS₈, MgS₆, och MgS₄, också kallas för polysulfider. 
Dessa ämnen kan förstöra själva batteriets funktion och vandra genom elektrolyten och reagera med magnesiumets grund yta, vilket bildar flera oönskade ämnen som kan försämra batteriets funktion. Det kallas för the shuttle effect. 

The shuttle effekt kan orsaka att batteriet blir svagt och hindrar den från att vara funktionellt → batteritiden försämras.

Hur ska vi lösa det? (Vårt innovation) 
● Genom att införa en blockering inom batteriet som attraheras svavel ämnet och låter magnesium passera förbi. Magnesium återanvänds och processen återkommer. 
● Blockeringen heter Polysulfider-blockering.

Hur fungerar en poly sulfid blockering? 
● Genom att införa porlöst kol som blockering, så fastnar sulfiderna i de smala 
mikroskopiska hålen inuti kolen, så de inte vandrar vidare. Dessutom leder kol 
elektricitet, fast de ska inte, för elektronerna får inte ta genvägen genom 
batteriet.

Hållbarhet 
Saltöknar är stora områden som är täckta av ett lager av salt och andra mineraler. Till exempel kan havsvatten samlas i lågt belägna områden och så småningom avdunsta, vilket lämnar marken täckt av ett lager salt. 

Största delen av världens litium produceras genom saltgruvor. Detta är en av de 
viktigaste metoderna för att utvinna litium, tillsammans med gruvdrift i dagbrott. Dessa platser, alltså saltgruvorna, har saltvatten under marken som kallas saltlake (brine), och det är där litiumet finns, i saltlaken. (Litium Triangeln – Bolivia, Argentina och Chile) Arbetarna som utvinner litium börjar pumpa upp saltlaken från marken. Sedan hälls vattnet som de har pumpat upp i grunda vattenbassänger, där solen får vattnet att avdunsta. Det betyder att de först vill torka bort vattnet, vilket kan ta mellan 12 och 18 månader. När vattnet börjar försvinna blir litiumet mer koncentrerat, vilket gör det lättare att separera litiumet från de andra ämnena med hjälp av kemikalier. Till slut kan litiumet omvandlas till ett material som kan användas för att tillverka batterier.  

Anledningen till att denna process kan skada miljön är att den använder mycket 
vatten, och eftersom saltgruvorna redan främst finns i torra områden behöver man använda dubbelt så mycket vatten jämfört med vad man skulle ha behövt om saltgruvorna låg på andra platser. Att ta upp vattnet kan skada växter, djur och människor som bor i närheten. Anledningen till det är att vi människor tar upp för mycket vatten från marken, vilket kan leda till att det finns mindre vatten kvar för växterna, djuren och människorna som är beroende av det. Grödor kanske inte kan växa i området på grund av vattenbrist, vilket kan leda till att böndernas grödor inte växer och i sin tur orsakar svält och fattigdom. En annan anledning till att det kan skada miljön är föroreningar. Maskinerna och kemikalierna som används för att separera och utvinna litiumet kan på lång sikt förorena miljön, vilket innebär 
att vattnet eller jorden i hela området kan bli förorenat.

Ett annat vanligt sätt att utvinna litium är genom gruvdrift i hårt berg. De bergarter 
som innehåller litium finns djupt under marken, så för att kunna utvinna dem måste man ta bort jorden och berglagren som täcker dem. En maskin används för detta. När man till slut når de kaliumhaltiga bergarterna plockar maskinen upp dem och krossar dem i mindre bitar. Därefter hettas berget upp till en mycket hög temperatur. Sedan tillsätts svavelsyra till materialet. Anledningen till att den tillsätts är att separera litiumet från berget. Svavelsyran används för att separera litiumet, medan andra kemikalier används för att separera det oönskade materialet. På så sätt kan man se till att endast litium utvinns. Slutligen, efter denna långa process, omvandlas litiumet till litiumkarbonat eller litiumhydroxid, som används i batterier. 
Gruvdrift i hårt berg kan också skada miljön eftersom det leder till markförstöring. 
Det innebär att stora områden av mark går förlorade under gruvprocessen, vilket kan leda till att många djur och växter skadas och påverkas. Maskinerna som används vid gruvdriften skadar också miljön eftersom de behöver mycket energi och bränsle för att fungera. Detta kan senare leda till föroreningar och utsläpp av växthusgaser. Kemikalierna som används för att separera litiumet kan skada jorden och vattnet. Kemikalierna kan blandas med jorden och göra det svårare för växter att växa, eftersom växterna behöver ren och säker jord för att kunna växa. En annan anledning är att kemikalierna också kan skada andra organismer och 
mikroorganismer som behövs för att jorden ska vara frisk. Detta kan leda till att växterna inte växer lika bra, vilket kan leda till samma konsekvenser som vid gruvdrift i saltöknar: att det inte produceras tillräckligt med grödor för att bönderna ska kunna sälja dem och tjäna pengar, vilket så småningom kan leda till fattigdom och svält. Dessutom kan temperaturen bli varmare på grund av den koldioxid som släpps ut från maskinerna. 

Varför magnesium är ett bättre val?

Vår plan är att använda magnesium istället för litium eftersom det har mindre miljöpåverkan jämfört med litium. Magnesium finns på många platser på jorden och är mycket vanligare än litium. Om vi använder magnesium skulle det innebära att vi inte behöver bryta lika mycket för att hitta litium. Det finns många anledningar till att vi bör använda magnesium istället för litium.

1. Mindre negativ miljöpåverkan Magnesium är det sjunde vanligaste grundämnet i jordskorpan och utgör ungefär 2,3 % av den, vilket betyder att det finns väldigt mycket magnesium tillgängligt. Litium är däremot mycket ovanligare. Det är det 33:e vanligaste grundämnet och utgör bara ungefär 0,002 % av jordskorpan. Det betyder att magnesium finns ungefär 1 100 gånger mer än litium i jordskorpan. Det finns också en stor skillnad när det gäller hur de utvinns. Magnesium finns i mineraler, sötvatten och havsvatten, så det finns flera olika sätt att få fram det utan att alltid behöva använda djupa eller specialiserade gruvor. Litium är svårare att komma åt eftersom det oftast finns i vissa specifika fyndigheter (platser i naturen där det finns stor mängd av ett visst ämne eller mineraler). Ett sätt att utvinna litium är att pumpa upp miljontals liter grundvatten i torra områden och låta vattnet avdunsta under en lång tid. Ett annat sätt är vanlig gruvdrift, vilket också kan påverka miljön. Magnesium har dessutom en annan fördel eftersom det finns enorma mängder av det i havsvatten. Det finns ungefär 1,3 kg magnesium i varje kubikmeter havsvatten. Det betyder att magnesium potentiellt kan utvinnas ur havet istället för att enbart vara beroende av gruvdrift. Litium finns också i havsvatten, men mängden är så liten att det i praktiken är väldigt svårt och dyrt att utvinna det på det sättet. Priset är också en viktig skillnad. Priserna på litium och magnesium förändras beroende på bland annat tillgång och efterfrågan. När efterfrågan på litium är hög kan det kosta tiotusentals dollar per ton, medan magnesium vanligtvis är mycket billigare. Det betyder att magnesium under vissa perioder kan vara flera gånger billigare än litium som råvara. Självklart kräver tillverkningen av alla typer av batterier fortfarande energi och kan orsaka utsläpp och annan miljöpåverkan. Men eftersom magnesium är så vanligt och finns på många olika platser, bland annat i havsvatten, skulle det kunna minska vissa av miljöproblemen som är kopplade till att få fram råvaror. Det skulle också kunna göra tillgången på materialet mindre beroende av ett litet antal gruvor runt om i världen. Därför är magnesium ett intressant material att undersöka när man utvecklar framtidens batterier.

2. Lätt att återvinna Även om både magnesium och litium går att återvinna är processerna olika. För att få tillbaka litium behöver vi återvinna det. När vi återvinner litium får vi tillbaka litium, men även andra material som koppar, nickel, kobolt med mera. Eftersom man behöver kemikalier för att separera dessa material upprepar man på sätt och vis samma processer som används när man utvinner litium. Det betyder att miljöpåverkan kan fortsätta även när man återvinner litium, eftersom kemikalier fortfarande kan behövas för att separera materialen. När vi återvinner magnesium samlas batteriet först in och tas isär på ett säkert sätt. De olika delarna och materialen i batteriet separeras sedan noggrant, detta är på grund av att vårt batteri har separerade sektioner som går att byta ut ifall anoden, katoden eller elektrolyten går sönder så går den att använda batteriet utan att behöva byta ut hela batteriet.. Det innebär att magnesiumet kan separeras från de andra delarna och återanvändas i ett annat batteri senare.

3. Säkrare batterier Litiumjonbatterier kan bli varma och börja brinna när de används under en längre tid. Eftersom mycket energi lagras på en liten plats kan litiumbatterier bli överhettade, vilket kan orsaka olika kemiska reaktioner i batteriet. Eftersom litium är mycket reaktivt med vatten och luft kan detta leda till så kallad termisk rusning (thermal runaway), vilket innebär att batteriet blir varmare och varmare. Magnesium är däremot också reaktivt, men det är mindre reaktivt än litium eftersom det har ett lager som kallas magnesiumoxid på ytan. Detta lager hjälper till att förhindra att magnesium reagerar snabbt med luft.

Årets tema - energilagring

Spara energi - varför är det viktigt?

Produktionen och konsumtionen av elektricitet måste alltid vara i balans för ett fungerande system och samhälle. För att upprätthålla denna balans måste produktion och användning hända nästan samtidigt. Effektiv energilagring underlättar detta. Genom energilagring kan man spara energi från när det finns överskott till när det behövs. Man kan även öka distansen från var elektriciteten utvinns till där den används.

Batterier - vårt val

Det finns många olika sätt att spara energi på. Våran idé är ett batteri. Batterier är en av de vanligaste formerna av energilagring, och fungerar genom att omvandla kemisk energi till elektrisk. Den främsta och vanligaste typen av batterier är litiumjonbatterier. Vi ville inte använda litium i vårt batteri på grund av hållbarhetsproblemen som ämnet har. Dock är litium ett mycket effektivt ämne för just batterier. Den har en hög verkningsgrad, runt nittio procent, och hög energitäthet. Vi ville ha kvar den höga energitätheten och effektiviteten, men använda oss av ett annat ämne.

Våran idé

Resultatet blev ett magnesium-svavelbatteri(Mg-S). Både magnesium och svavel är mer lättillgängliga jämfört med litium. Vid jonisering kan magnesium även lämna ifrån sig två elektroner, vilket är lovande för en hög kapacitet. Ett Mg-S batteri är en idé som finns, men bara på forskningsnivå, än så länge. Detta är på grund av de utmaningar som kommer med idén. En av de största av dessa utmaningar är polysulfiderna som bildas när svavel och magnesium reagerar. De måste reagera för att batteriet ska fungera. Dessa polysulfider kan försämra batteriet ordentligt. Men, vi har en lösning.  

Nytänkande och kreativitet

Hur fungerar ett magnesium-svavelbatteri?

Innan vi går in på polysulfiderna vill jag bara ge en snabb sammanfattning på hur själva batteriet fungerar. Under urladdning så rör sig magnesiumjoner(Mg 2+ ) bort från anoden till svavelkatoden genom elektrolyten. De två elektronerna magnesiumet lämnar ifrån sig tar sig också till katoden, genom en yttre krets (där man utvinner elektriciteten). Där reagerar elektronerna med svavelmolekylerna(S8) som finns där, och med magnesiumjonerna från anoden, vilket bildar MgS. Under laddning händer det motsatta, och MgS förvandlas till Mg 2+ , två elektroner, och S8. Tyvärr är inte processen riktigt så simpel.

Polysulfide shuttle

Under urladdning kan svavelmolekylen(S8) reduceras till polysulfiden MgSn (n=4–8). Det är ett problem. Dessa längre polysulfider är lösliga i elektrolyten, den som separerar anoden och katoden. Polysulfiderna kan därför lämna katoden och sprida sig mot elektrolyten och anoden, där de reagerar med ämnen på platser som de inte ska. Detta fenomenet kallas för polysulfide shuttle (polysulfid-skyttel, för att direktöversätta). Poly Sulfide shuttle leder till att en del av batteriets kemiska energi går åt till dessa oönskade reaktioner. Man använder inte hela batteriets kapacitet och det blir även mycket mindre effektivt.

Våran lösning

För att lösa polysulfidproblemet vill vi införa ett kontrollager mellan svavelkatoden och resten av batteriet. Vi tänker oss ett poröst kollager som ska stoppa polysulfiderna, men fortfarande släppa genom magnesiumjonerna. För att detta ska lyckas krävs det dock att porerna i kolet är precis lagom stora. Kol har testats innan för att försöka lösa shuttle-problemet, och det har sett lovande ut. Det är en bra idé. Parar man ihop kolet med en bra elektrolyt kan man minska polysulfidernas påverkan enormt. Att hitta en välfungerande elektrolyt har visat sig vara en svår uppgift. Som vi ser det, är den mest lovande kandidaten en gelpolymer-elektrolyt. Den kan låta magnesiumjonerna passera igenom tillräckligt bra samtidigt som den hindrar polysulfiderna från att upplösas.

Bonus - utbytbara lager

Batteriet är inte bara hållbar eftersom den är gjord av miljövänligare material. Idén är att den även ska konstrueras modulärt. De olika lagren i batteriet ska vara designade för att kunna bytas ut när kvalitén försämras över tid. På detta sätt behöver man inte göra sig av med hela batteriet när en del försämras, bara just den delen.

Slutsats

Den nytänkande delen kommer in genom hela kombinationen av magnesium-svavelbatteriet, parat med kolkontrollagret och det faktum att de olika komponenterna av batteriet är utbytbara. Allting, än så länge, är teoretiskt. Vårt mål är att försöka lösa åtminstone några av de problemen MgS batteriet har. Batteriet är en annars så lovande idé och ett exemplariskt substitut för det mer populära men inte lika miljövänliga litium-batteriet.