Honningkage‑batteri, der potentielt kan overgå solid‑state‑batterier

Batterier til at elektrificere verden

Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even mass drivers to conquer space.

De vil også være afgørende for at gøre vores elnet grønt ved at udjævne energiproduktionskurverne fra solpaneler om aftenen og vindmøller på vindløse dage.

Kilde: Statista

Indtil videre har batteriteknologien været domineret af lithium-ion-teknologi, en opdagelse så vigtig, at den vandt Nobelprisen i kemi i 2019 (du kan læse mere om historien bag dens opdagelse i vores dedikerede artikel).

Alligevel har lithium-ion-batterier en alvorlig begrænsning. Over tid vokser spidser af metallisk lithium, kaldet dendritter, en smule ved hver opladnings-/afladningscyklus. Dette kan føre til, at dendritterne gennemborer batteriets komponenter og skaber en kortslutning. Faren ved en sådan kortslutning forstærkes yderligere af, at lithium-ion-batterier bruger brandfarlige elektrolytter, hvilket gør batteribrande meget varme og svære at slukke.

Dette er et problem, der i nogen grad deles af alle lithiumbaserede batterier, inklusive LFP (Lithium‑jern‑fosfat) kemi. I hvert fald indtil nu.

Kilde: Nobel Prize

I lang tid har alternativet været betragtet som enten en helt anden kemi som natrium-ion eller et andet batterikoncept, især solid-state-batterier, som overhovedet ikke bruger elektrolytter.

Dette er måske alligevel ikke sandt. Den førende batteriproducent CATL har annonceret, at et nyt “honningkage”-design kan skabe batterier uden tegn på nedbrydning efter 5 års intensiv brug.

Dette design kunne bruges til at skabe batterier så energitætte som solid-state-batterier, mens man stadig primært bruger den nuværende teknologi.

Honningkager for at rumme mere energi.

En vigtig årsag til, at batterier nedbrydes og udvikler dendritter, er at materialet trækker sig sammen og udvider sig under hver opladnings-/afladningscyklus, når lithiumionerne trænger ind i anodematrixen.

Håndtering af sammentrækning/udvidelse er også et af de centrale problemer, der har hæmmet udviklingen af solid-state-batterier. CATL hævder at have fundet en løsning ved at udvikle en kompleks honningkage-lignende struktur for deres anodemateriale.

Ideen er ikke helt ny, da den allerede blev foreslået af forskere, for eksempel i et videnskabeligt papir fra 2020 med titlen “Udstrækkeligt lithium-ion-batteri baseret på ny mikro-honningkage-struktur”.

Kilde: Phys.org

Firmaet annoncerede et nyt LFP (lithium‑jern‑fosfat) batteri, der kan tilføje 600 km rækkevidde på kun 10 minutter. I alt kunne kørselsrækkevidden overstige 1.000 km (600 miles), hvilket fuldstændigt fjerner al “rækkevidde‑angst” for fremtidige elbilsejere.

Samlet betyder det, at 1 km rækkevidde kan oplades hver sekund, og en fuld opladning for 1.000 km vil tage 16,6 minutter.

Ny tæthedsrekord

Denne imponerende rækkevidde er mulig, fordi “Shenxing-batterisystemets energitæthed overskrider 200 Wh/kg-grænsen for første gang og når 205 Wh/kg”.

Dette blev opnået takket være en “honningkage”-struktur, der i bund og grund holder materialet på rette sted, hvilket undgår revner og sammentrækning under opladning.

Firmaet er naturligvis forholdsvis hemmelighedsfuldt omkring detaljerne i deres fremstillingsproces, da batteriteknologi måske er et af de mest konkurrenceprægede områder i verden i øjeblikket, især med BYDs næste generation af bladbatterier, der forventes at nå 190 Wh/kg.

Fremstillingshemmeligheder

Vi ved, at de brugte noget, der kaldes “granulær gradation/nanometer-enkapsulering”, som kan placere hver nanometerpartikel inden i cellen på den rette plads. De nævnte også “hurtig lithium-ion ledende belægning” for at fremskynde energioverførslen mellem batteriets to poler.

CATL-fabrikker er højt automatiserede og kan producere et af de nye LFP-batterier hvert 1. sekund i deres flagskibs-fabrik.

Fra et videnskabeligt papir fra 2021 kan vi lære nogle af de vigtigste fordele ved honningkageformer, især lav densitet og høje ud-af-plan kompressions- og forskydningsegenskaber (materialers modstand mod kræfter, der virker parallelt men i modsat retning).

Den honningkage-grafenarrangement forhindrer effektivt agglomeration af siliciumnanopartikler, forbedrer den elektriske ledningsevne og mindsker Li+‑transportmodstanden.

Selvom det ikke er klart, hvordan CATL gjorde det, er nogle af disse metoder kendte; for eksempel kan successive termiske og kemiske behandlinger med kulstof og syre skabe en nano-honningkage-struktur.

Kilde: Chemistry Europe

Kilde: Chemistry Europe

Andre forbedringer

I batteriteknologi tæller hver forbedring, da de kan forstærke hinanden og gøre batteriet tættere. Dette reducerer igen volumen af batteri, der er nødvendigt for en given rækkevidde. Det reducerer den samlede vægt, hvilket yderligere øger rækkevidden og/eller de nødvendige batterier.

Parallelt med sin honningkage-struktur annoncerede CATL også nogle andre forbedringer. En faktor i at øge CATL’s nye batteritæthed er optimeret celle‑til‑krop‑teknologi (CTB), som optimerer den plads, batteriet optager i batteripakken. Dette førte til en forbedring af volumen‑effektiviteten på 7%.

Andre funktioner er ultra‑høj køleeffektivitet i høj‑spændings‑boksen, hvilket reducerer strømforbruget fra kølesystemet. En AI‑intelligent batteristyringssystem‑algoritme sikrer også batteriets sikkerhed.

Ladeinfrastruktur

Infrastrukturen til at oplade elbiler har i lang tid været en begrænsende faktor, primært fordi man har brug for et netværk så tæt som de nuværende tankstationer for at undgå lange ventetider og huller i ladningsnetværket i fjerntliggende områder. Dog dukker et andet problem op, nemlig kapaciteten af disse ladestationer.

Efterhånden som batterier bliver i stand til at håndtere massive belastninger og hurtig opladning, har selve ladestationerne brug for højere kapacitet. Den hurtige 16‑minutters opladning for 1.000 km kræver en 4C‑opladningsproces, som i sig selv kræver en massiv 400 kW opladningskraft for et 100 kWh batteri.

Af denne grund annoncerede CATL på det tidspunkt, at de gik ind på markedet for ladeinfrastruktur. De vil begynde at bygge Shenxing Superfast Charging Network i Kina, i samarbejde med brancheførende partnere som Star Charge, YKC og Shudao New Energy.

Samlet planlægger de 600 serviceudtag, der dækker 271 præfektur‑niveau byer i 31 provins‑niveau regioner. Tilvejebringelsen af batterier, ladningsnetværk og tjenester som batteriinspektion og vedligeholdelse har til formål at skabe et lukket kredsløbs‑økosystem.

Udover LFP & EV

Utility‑skala

CATL er i stigende grad aktiv på utility‑skala batterimarkedet, med tilsyneladende en fornyet interesse i at bruge lithium‑baseret kemi, efter at have overvejet natrium‑ion i stedet.

Mest bemærkelsesværdigt erklærede de, at et pilotprojekt, der bruger TENER‑containeriseret batterisystem, har demonstreret nul nedbrydning i kapacitet efter fulde 5 år i drift.

Kilde: Sustainability Environment

Honningkage‑strukturen ser ud til at blive en central del af CATL’s batteriarkitektur. Selvom det ikke er udtrykkeligt angivet som sådan, er dette sandsynligvis, hvad CATL refererede til, når de talte om TENER:

For at realisere TENER brugte virksomheden en SEI med biomimetiske ionkanaler og høj stabilitet, sammen med selv‑samlede elektrolytteknologier, der skaber det, de kalder et “tidløst energilagringssystem.

Baseret på topmoderne teknologi og ekstreme fremstillingskapaciteter har vi løst udfordringerne med stærkt aktive lithium‑metaller […], hvilket effektivt hjælper med at forhindre den termiske ustabilitet forårsaget af oxidationsreaktionen,”

Denne hidtil usete præstation af TENER kunne fuldstændigt ændre ligningen for fast batterilagring, da ingen nedbrydning betyder en meget forbedret sikkerhedsprofil. Det ændrer også amortiseringsberegningen ved at love en langt mere holdbar batteripakke, et nøglepunkt for forsyningsselskaber.

Så anden kemi kan stadig vinde dette marked, som vi diskuterede i “Fremtiden for energilagring – Utility‑Scale Batteriteknologi”. Men det er også muligt, at lithium ender med at vinde utility‑markedet, som er meget større end selv det gigantiske og voksende EV‑marked.

Kondenseret tilstand

Det er også muligt, at honningkage‑strukturer ligger bag “kondenseret tilstand” batteriet, der blev afsløret i 2023 og forventes at blive kommercialiseret snart.

Disse lithium‑batterier (ikke LFP) hævdes at have en energitæthed på 500 Wh/kg, eller 2,5‑gange større end de nyligt annoncerede LFP‑batterier.

Der er ikke annonceret nogen pris for dette projekt, så den kommende produktlinje fra CATL ser ud til at være som følger:

1. Kondenseret tilstand på 500 Wh/kg for high‑end elbiler og måske også nye markeder som elektrisk drevne fly.
2. Avanceret LFP på 200 Wh/kg for mellemprisklasse‑elbiler, med en rækkevidde på 1.000 km, der kan oplades på 16 minutter med den rette ladeinfrastruktur.
3. Natrium‑ion for lavpris‑elbiler med en kortere rækkevidde.

Det er ikke klart, hvor solid‑state‑batterier ville passe ind i denne blanding. Nogle investorer kan endda være bekymrede for, at den 1^st generation af solid‑state‑design kunne blive overhalet af produktionsskalaen for CATL’s avancerede LFP‑ og kondenseret‑tilstand‑batterier.

Kilde: Nature

Investering i avancerede batteriteknologier

Batterier er i centrum af elektrificeringstrenden, som i sig selv er en stor milliard‑dollar‑indsats, der søger at fjerne fossile brændstoffer fra vores energikilder.

Du kan investere i batterirelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke batterivirksomheder, kan du også kigge på batteri‑ETF’er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), som vil give en mere diversificeret eksponering for at drage fordel af den voksende batteriindustri.

Avancerede batterivirksomheder

1. CATL (300750.SZ)

Vi har allerede talt om CATL’s teknologiske førerposition. Virksomheden er den globale leder inden for batteriproduktion og producerer mere end halvdelen af den globale batterivolumen. Den er til stede i alle trin af batteriproduktionens forsyningskæde og er en leder inden for batteriteknologi.

Dette gælder for lithium‑ion‑batterier, hvor virksomheden har været en veletableret leder i lang tid. Nu virker den lille i forhold til den seneste meddelelse.

CATL har også tidligere annonceret imponerende fremskridt inden for flere andre batterityper :

• Et 12.000‑cyklers ultra‑lang‑levetidsbatteri til utility‑scale energilagring, med 18.000 cyklusser som langsigtet mål.
• Et 700 km LFP (Lithium‑jern‑fosfat) batteri, der oplader 400 km rækkevidde på 10 minutter, ser nu lille i forhold til den seneste meddelelse.
• Et 500 Wh/kg, der potentielt muliggør elektrificering af passagerfly.
• Masseproduktion af 160 Wh/kg natrium‑ion‑batterier med et mål på 200 Wh/kg.

Kilde: CATL

Kilde: CATL

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

Takket være sin skala, fokus og FoU‑resultater er CATL sandsynligvis i front inden for batteriinnovation, -produktion og -genanvendelse.

Dette gør den til en nøglepartner for elbilproducenter, herunder Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis osv., med Hyundai for nylig tilføjet til CATL’s voksende flok af strategiske alliancers.

Derudover kan de erfaringer, der er opnået i én kemi, anvendes i en anden, så vi måske snart ser honningkage‑ eller kondenseret‑tilstand natrium‑ion‑batterier som eksempel. Skalaøkonomierne ved at producere halvdelen af verdens batterier er også sandsynligvis gældende for hele virksomheden, uanset den specifikke teknologi, der anvendes i et enkelt produkt.

2. BYD (BYDDY)

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 lithium‑ion‑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, hvorfor Kina pludselig blev verdens største bilud exporter i 2023 og overgik Japan. Virksomhedens aggressive udenlandske ekspansion understøttes også af nye fabrikker, som i Ungarn.

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

Kilde: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0,

Alligevel en batteriproducent i sin kerne er BYD en seriøs udfordrer til CATL på LFP (lithium‑jern‑fosfat) 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 (selv 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 repræsenterer flere milliarder af potentielle kunder for BYD, der bor i lande, som er ivrige efter at opretholde en geopolitisk balance og forblive i gode relationer med både Vesten og Kina, så det er usandsynligt, at der opstår for stærke protektionistiske barrierer.

Og selv 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 for disse markeder, for eksempel i Østeuropa, Mexico eller Tyrkiet.