Energi

Anodefri natriumsolid-state batterier kan reducere afhængigheden af ‘Lithiumtrianglen’

mm
Udgivet den
Opdateret den
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Oplysning: Securities.io kan modtage betaling, når du bruger links til produkter, vi anmelder. Det påvirker ikke vores redaktionelle vurderinger. Vi er ikke registreret investeringsrådgiver; dette er ikke investeringsrådgivning. Læs vores affiliateoplysning.

De mange måder at fremstille et batteri på

Battery makers are constantly innovating in a race to make the best technology.  In recent years, this has been driven by the incentive to capture the ever-growing EV market and the nascent but even quicker-growing utility-scale battery market.

Selvom de oprindeligt er bygget på lithium‑ion teknologi, ser batterier nu ud over dette design for at løse Li‑ion‑problemerne: for dyre, brug af sjældne metaller, brandrisiko osv.

En sådan alternativ er natrium‑ion, som bruger natrium i stedet for lithium på bekostning af lavere energitæthed.

En anden alternativ er solid‑state batterier. Ved at fjerne behovet for elektrolytter kan de være tættere og dermed kræve færre af dem for samme elbil‑ydelse. Solid‑state batterier bør også være meget hurtigere at oplade.

Andre mere dristige tilgange ændrer ikke blot kemien, men selve batteriets struktur. Især fjerner anodefri batterier helt en del af batteriet.

Forskere ser nu på at kombinere disse tilgange, især med den nylige offentliggørelse af et design for verdens første anodefri natrium solid‑state batteri.

Anodefri natrium solid‑state batteri

Udgivet den in Nature Energy under the title ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”, have researchers from the University of California and University of Chicago not only created a solid‑state battery, but one using sodium instead of lithium, and without even an anode.

Natriumbatteri

Sodium is a very abundant ion, virtually in unlimited amounts in the ocean, 1,000x more abundant on Earth’s crust than lithium. This makes it a very good alternative to lithium.

Det er vigtigt, fordi lithium rammer flere begrænsninger på grund af elbilboom:

  • Det er for dyrt, hvilket gør elektrificeringen selv for dyr.
  • Udvindingen er miljøskadelig.
  • Det produceres kun på få steder i verden og for det meste raffineres i Kina, hvilket medfører geopolitiske risici.

Da det er så allestedsnærværende og rigeligt, er det meget usandsynligt, at natrium nogensinde vil opleve den prisinstabilitet og mangel, som lithium har oplevet i de sidste år.

Problemet er, at natriumbatterier normalt ikke er tætte nok til at konkurrere med lithium‑baserede batterier, bortset fra lavpris‑elbilmodeller.

Anodefri batteri

Normalt har et batteri en anode, der lagrer ionerne, mens batteriet oplades. De flyder derefter tilbage mod katoden, når batteriet frigiver sin energi.

Anodefri batterier lagrer i stedet ionerne i et elektrokemisk aflejring af alkalimetal direkte på strømlederen.

Dette muliggør højere celle‑spænding, lavere celle‑omkostninger og øget energitæthed.

Problemet med et anodefrit design er, at strømlederen har tendens til at få en aflejringsopbygning fra den flydende elektrolyt, hvilket kan beskadige batteriet.

Solid‑state batteri

Solid‑state batterier har længe været forventet at blive den “endelige” form for batteribaseret energilagring, især til anvendelser, der kræver meget høj‑tæthedsmobilitet.

Fjernelse af elektrolytten reducerer den samlede batterivægt og gør batteriet meget hurtigt at oplade og aflade.

Problemet med disse designs er typisk at få et tilstrækkeligt solidt system, da metaller har tendens til at svulme ved opladning.

Derudover er problemet med voksende dendritter, som kan skabe kortslutninger (og dermed brand), altid til stede i baggrunden, ligesom ved lithium‑ion batterier.

Anodefri natrium solid‑state

I forbindelse med et anodefrit design er et yderligere problem, at en klassisk solid elektrolyt ikke kan interagere korrekt med strømlederen.

Forskere løste dette problem ved at bruge aluminiumspulver som strømleder, hvilket er et fast stof, der kan flyde som en væske.

Mange fordele

Ved at være solid forhindrer aluminiumselektrolytten også dannelsen af dendritter, den primære årsag til den alt for korte levetid for solid‑state batterier.

Den giver også et stabilt interface og forhindrer, at noget af natriummet bliver utilgængeligt for strømmen, hvilket ville reducere batteriets kapacitet.

Endelig muliggør den høj energitæthed, med de forskellige muligheder for dette natrium‑solid‑state batteri, som ligger i området 200‑400 Wh/kg.

Selvom dette er lidt lavere end lithium‑baserede solid‑state batterier, er det stadig meget stærkere end de batterier, der anvendes i dag. Kombineret med økonomien ved meget billigere materialer, hvor natrium og aluminium erstatter lithium, kobolt og nikkel, kan det blive en vindende kombination.

Kraften i kombinationen

Selv for få år siden var idéen om natriumbatterier eller anodefri batterier kun et koncept, som mange tvivlede på ville nå et kommercielt stadium. Det samme kan siges om solid‑state batterier.

Dette ændrer sig hurtigt for hver af disse kategorier, samt for mange andre potentielle kemier og designs, som vi har udforsket i vores artikler “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” og “The Future Of Mobility – Battery Tech”.

Det ser ud til, at vi træder ind i en ny fase, hvor forskere nu ser på alle disse nu beviste batterikoncept og begynder at samle dem.

Overraskende nok kan det hjælpe med at overvinde de individuelle begrænsninger ved hver idé.

I dette eksempel løses både solid‑state batteriers dendritproblemer og anodefri designs problem med aflejringer på strømlederen ved brug af aluminiumspulver.

Aluminiumspulver alene i et anodefrit design ville stadig give for lav densitet.

Aluminiumspulver i solid‑state batterier ville ikke være tilstrækkeligt billigt uden brug af natrium.

Samtidig er natrium alene billigt, men ikke tæt nok til at opfylde kravene til mobilitet.

Så det ser ud til, at kombination af forskellige designelementer kan hjælpe med at samle deres respektive fordele, samtidig med at de individuelle problemer fjernes eller i det mindste dæmpes, hvilket skaber et meget større sæt af fremtidige muligheder for innovative batterikemier end tidligere antaget.

Natriumbatteri virksomheder

1. CATL

CATL er den globale leder inden for batteriproduktion og producerer mere end halvdelen af den globale batterivolumen. Virksomheden er til stede i alle trin af batteriproduktionens forsyningskæde og er en førende inden for batteriteknologi.

Dette gælder også for lithium‑ion batterier, hvor virksomheden har været en veletableret leder i mange år. CATL har også annonceret imponerende fremskridt inden for flere andre batterityper:

Kilde: CATL

Virksomheden bliver aktiv på markedet for batterier i stor skala med annonceringen af dens TENER‑systemydelse. Det er “verdens første masseproducerbare energilagringssystem med nul nedbrydning i de første fem år af brug i Beijing, Kina”.

Enorm energi i en kompakt plads: 20‑fod container med 6,25 MWh kapacitet

Drevet af banebrydende teknologier og ekstreme produktionskapaciteter har CATL løst udfordringerne forårsaget af meget aktive litiummetaller i nul‑nedbrydningsbatterier, hvilket effektivt hjælper med at forhindre termisk løbskhed forårsaget af oxidationsreaktioner.

CATL har også investeret 3,25 mia. i batterigenanvendelseskapacitet i Kina. CATL har også opnået en bemærkelsesværdig genvindingsrate på 99,6 % for nikkel, kobolt, mangan og 91 % for lithium.

Takket være dens skala, fokus og FoU‑resultater vil CATL sandsynligvis være i frontlinjen inden for batteriinovation, produktion og genanvendelse. Dette gør den til en nøglepartner for elbilproducenter, herunder Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis osv.

2. BYD

En langvarig udfordrer af Tesla på elbilmarkedet, BYD er blevet en seriøs konkurrent ikke kun for Tesla men for stort set alle bilproducenter.

Virksomheden udviklede sig fra sin oprindelse som leverandør af telefonbatterier til at sælge næsten lige så mange elbiler som Tesla i Kina (verdens største elbilmarked) og være den bedst‑sælgende elbil i Thailand, Sverige, Australien, New Zealand, Singapore, Israel og Brasilien.

BYD er en stor del af årsagen til, at Kina pludselig blev verdens største bilud exporter i 2023 og overgik Japan. Virksomhedens aggressive udlandsudvidelse understøttes også af nye fabrikker, som i Ungarn.

Og med udgivelsen af $10.000‑$12.000 biler som Seagul, der bruger natriumbatterier, kan et helt nyt marked åbne for BYD‑elbiler.

Kilde: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Selvom den i sin kerne er en batteriproducent, er BYD en seriøs udfordrer til CATL på LFP‑batterimarkedet med en markedsandel på 41,1 % i Kina (sammenlignet med CATL’s 33,9 %).

“Floden” af billige elbiler produceret af BYD til de europæiske og amerikanske markeder vil sandsynligvis møde en vis grad af protektionisme (endda over de nyligt indførte toldsatser), hvilket kan hæmme BYD’s vækst.

Men samtidig er billige kinesiske elbiler allerede en stor succes i resten af verden, som ikke har mange indenlandske bilproducenter at beskytte, herunder hele Sydamerika, Rusland, Afrika, Mellemøsten og Sydøstasien.

Dette udgør flere milliarder af potentielle kunder for BYD, som bor i lande, der ønsker at opnå en geopolitisk balance og holde gode relationer både med Vesten og Kina, så det er usandsynligt, at der opstår for stærke protektionistiske barrierer.

Også i EU eller USA kan BYD forblive konkurrencedygtig takket være de meget højere priser fra lokale elbilproducenter sammenlignet med priserne i Kina, samt lokaliseringen af produktionen uden for Kina til disse markeder, for eksempel i Østeuropa, Mexico eller Tyrkiet.

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der arbejdede med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu aktieanalytiker og finansskribent med fokus på innovation, markedscyklusser og geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.