Design af et Bedre Batteri – Farvel til Kobalt og Velkommen til…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently udviklet a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

Vigtigheden af Batterier

With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla (TSLA ) and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.

Global EVs sales – Source: IEA

Indtil i dag er den dominerende kemi for batterier lithium‑ion‑teknologi. Dette skyldes, at disse batterier er blandt de mest energitætte, når de måles i kW/kg. Denne måling er langt den vigtigste i mobilitetsapplikationer, da hvert ekstra kilo batteri betyder behov for mere batteri og/eller mindre rækkevidde.

Så, da elbiler har vist sig at være den sandsynlige nøgleteknologi for fremtidens biler (og måske lastbiler og endda fly), er der gjort en betydelig indsats for at forbedre batteriteknologien.

Giver vi afkald på Lithium‑Ion?

Selvom den er meget tæt, er traditionel lithium‑ion‑teknologi ikke uden fejl. Der er en liste over problemer, der skal løses:

• Tætheden er stadig ret lav sammenlignet med flydende brændstoffer som benzin og diesel, hvilket forårsager rækkeviddeangst.
• Opladning kan være noget langsom, hvilket er et problem for mange førere og kommercielle anvendelser.
• Batterier er dyre, primært på grund af behovet for kostbare mineraler.
  • Dette gjorde, at elbiler i starten var mere et luksusprodukt end et almindeligt forbrugerprodukt.
  • Udvindingen af disse mineraler er sjældent miljøvenlig og ledsages ofte af forfærdelige arbejdsforhold og udnyttelse af fattige arbejdere eller børn i miner, især i tilfælde af kobolt i Congo.

Som følge heraf er mange alternative kemier blevet overvejet. Dette inkluderer, men er ikke begrænset til,

• LFP (Lithium‑jernfosfat)
• natrium‑ion
• fast‑state batterier
• lithium‑svovl
• grafen
• glasbatterier

Oxidation af aluminium har endda været diskuteret som et alternativ til batterier helt overhovedet. Dog har alle disse alternativer deres begrænsninger. Dette kan inkludere kortere levetid, produktionsvanskeligheder osv.

(Vi diskuterede i detaljer fordelene og begrænsningerne ved hver af disse teknologier i vores artikel “Fremtiden for Mobilitet – Batteriteknologi“).

De mest lovende, som fast‑state batterier, er stadig på et eksperimentelt stadium, og de, der er klar til kommercialisering, som LFP og natrium‑ion, lider under lavere energitæthed end lithium‑ion.

Der er sandsynligvis et marked for disse lavere‑tætte batterier, da de også er meget billigere at producere. Det kinesiske firma CATL (300750.SZ), som producerer mere end halvdelen af planetens batterier, er blandt lederne på dette område. Vi diskuterede de førende batteriproducenter i vores artikel “Top 10 Batteriaktier at Investere i”.

Alligevel vil den ideelle elbil i sidste ende have et billigt OG kraftfuldt batteri. Denne kombination vil sandsynligvis være nødvendig for fuldt at erstatte forbrændingsmotoren, især i kommercielle anvendelser.

Problemet med Lithium‑Ion Katoden

De fleste begrænsninger ved lithium‑ion kommer fra de kemiske og fysiske egenskaber ved batteriets katodedel. Det er katoden, der typisk kræver kobolt, og selv i kobolt‑fri potentielle alternativer, er den normalt stærkt afhængig af andre dyre metaller som nikkel og magnesium.

(De metaller, der kræves for overgangen til elbiler og vedvarende energi, blev yderligere diskuteret i vores artikel “Top 10 Batterimetaller & Aktier i Vedvarende Energi Mining“).

Disse metaller skal udvindes, forårsager forurening, og arbejdsforholdene er ofte forfærdelige. De er også giftige, hvilket gør genanvendelse af batterier til en mere kompliceret opgave.

Kilde: Visual Capitalist

Forskere har kigget på kulstofbaserede alternativer, de såkaldte organiske katoder. Indtil nu har dette været ret usuccesfuldt, da organiske katoder enten har haft for lav energitæthed eller ikke været holdbare nok til at anvendes i den hyppige opladnings‑/afladnings‑cyklus for elbiler.

Dette kan have ændret sig, takket være den førnævnte opdagelse af MIT‑forskere.

En Ny Type Organisk Katode

Prof. Mircea Dincă, der arbejder som W.M. Keck Professor of Energy ved MIT, har for nylig udforsket nye organiske forbindelser, der tidligere ikke var testet til katodeapplikationer. I stedet for de tidligere udforskede organosulfur‑ og carbonylforbindelser så han på en forbindelse kaldet TAQ (bis‑tetraaminobenzoquinon). Hans team havde tidligere demonstreret potentialet af dette kemikalie som et superkondensatormateriale.

TAQ har stort potentiale for brug i batterier, da det danner “lagdelte fast‑state strukturer, der potentielt kan konkurrere med traditionel koboltbaseret katodeydelse.”

I sig selv ville dette ikke have været nok. MIT‑forskerne fandt også, hvordan man kan forbedre vedhæftningen af TAQ til katodens rustfri stålstrømsindsamler, hvilket forbedrer stabiliteten af den nye proof‑of‑concept katodeprototype.

Ved at tilsætte cellulose‑ og gummibaserede materialer til TAQ opnåede de sikkert mere end 2.000 opladnings‑/afladnings‑cyklusser. Energitettheden var også højere end med koboltbaserede katoder, og opladningen tog mindre end 6 minutter.

Hvad er Næste?

Dette er indtil videre en laboratorieprototype, og yderligere arbejde vil være nødvendigt for at skalere den op til den fulde EV‑batteripakkestørrelse – samt yderligere indsats for at finde ud af, hvordan man kan etablere en opskaleret produktionsproces for denne nye batterikemi.

Alligevel er dette blandt de første gange, hvor en organisk katode har overgået koboltbaserede lithium‑ion‑designs på alle vigtige parametre: energitæthed, materialomkostninger og opladningshastighed.

Dette viser, at lithium‑ion‑kemi kan forblive den dominerende batterikemi, så længe den kan løse sin afhængighed af metaller, der forårsager etiske og miljømæssige problemer.

En anden ting, som forskningen af Prof. Dincă beviser, er at organiske katoder har stort potentiale, med potentielt tusinder af andre organiske forbindelser, der endnu ikke er testet til denne anvendelse. Så selv hvis TAQ viser sig utilstrækkelig til at erstatte kobolt og nikkel, kan andre kemikalier, der ligner TAQ, opnå det.

Lithium‑ion‑designs drager også fordel af en enorm eksisterende forsyningskæde og produktionsbase. Og det ville være meget lettere blot at ændre katoden end at bygge batterifabrikker fra bunden for at rumme nye kemier. Så kan forbedring af lithium‑ion give stor forretningsmæssig mening.

Det er også værd at bemærke, at organiske katoder er blevet diskuteret for andre typer batterier, for eksempel for aluminium‑ion, natrium/kalium‑ion, zink, eller calcium‑baserede dual‑ion batterier. Så det er muligt, at opdagelsen af TAQ’s egenskaber kan anvendes på andre batterityper end lithium‑ion.

I enhver sag vil organiske komponenter i batterier gøre dem lettere at genanvende, et emne (en investeringsmulighed) vi udforskede i dybden i vores artikel “Håndtering af Li‑ion Dilemmaet: Bortskaffelse af Ubrugelige Battericeller i en Stadig Mere Elektrificeret Verden“.

Virksomheder med Organiske Katoder

Volkswagen AG

Forskningen af Prof. Mircea Dincă blev finansieret af Automobili Lamborghini S.p.A., et datterselskab af Audi, ejet af Volkswagen Group. En patentansøgning for den organiske katodeteknologi er allerede indgivet.

Den tyske bilproducent er verdens næststørste bilproducent, kun overgået af Toyota. Virksomheden lå i en periode bagud inden for EV‑teknologi, men har arbejdet hårdt på at indhente, især med ID‑bilserien og flere hybridmodeller.

Kilde: Volkswagen

Senest i 2033 planlægger Volkswagen Group kun at producere elbiler i Europa.

Et samarbejde med MIT-forskerne er blot et af mange, med andre partnerskaber om elbiler, herunder:

• Et partnerskab med Renault om en 20.000‑euro elbil.
• En investering på 700 millioner USD i den kinesiske Xpeng for at øge elbilsalget i Kina.
• Et partnerskab med den kinesiske SAIC Motor om at levere elbilplatforme til Volkswagen.
• Et partnerskab med Jetta Motor for at erhverve elbilteknologi.
• Et partnerskab på 492 millioner USD med Magna for at revitalisere de ikoniske Scout SUV’er som elbiler.

Med sine ambitiøse planer for elbiler og adgang til avanceret elbilteknologi fra førende kinesiske virksomheder, er Volkswagen i en god position til at se på MIT’s patenterede organiske katodeteknologi og arbejde på at implementere den i stor skala i sine fremtidige elbiler.

Andre Virksomheder med Organiske Batterier

Selvom de ikke udvikler nye katoder, arbejder to startups på at bruge organiske forbindelser til at forbedre anodens ydeevne, Store Dot og EnergyX.