Nobelpriser

Investering i Nobelprismodtagelser: Lithium‑ion‑batterier til at drive verden

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.

Nobelprismodets historie

Nobelprisen er den mest prestigefyldte udmærkelse i den videnskabelige verden. Den blev oprettet i henhold til Alfred Nobels testamente for at give en pris “til dem, der i det foregående år har ydet den største fordel for menneskeheden” inden for fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur og fred. Et sjette pris blev senere oprettet for økonomisk videnskab af Sveriges centralbank.

Beslutningen om, hvem prisen skal tildeles, ligger hos flere svenske akademiske institutioner.

Arvsmæssige bekymringer

Beslutningen om at oprette Nobelprisen kom til Alfred Nobel, efter han læste sin egen nekrolog, som følge af en fejl fra en fransk avis, der misforstod nyheden om hans brors død. Artiklen med titlen “Handelsmanden af Døden er død” kritiserede Nobel for hans opfindelse af røgfri sprængstoffer, hvoraf dynamit var den mest berømte.

Hans opfindelser var meget indflydelsesrige i udformningen af moderne krigsførelse, og Nobel købte en massiv jern‑ og stålfabrik for at gøre den til en stor våbenproducent. Da han først var kemiker, ingeniør og opfinder, indså Nobel, at han ikke ønskede, at hans arv skulle være en mand, der huskes for at have tjent en formue på krig og andres død.

Nobelprisen

I dag er Nobels formue lagret i en fond, der investeres for at generere indtægter til at finansiere Nobelstiftelsen samt den guldbelagte grønne guldmedalje, diplom og den monetære præmie på 11 millioner SEK (omkring 1 million USD), som tildeles vinderne.

Kilde: Britannica

Ofte deles Nobelprispengene mellem flere vindere, især inden for videnskabelige felter, hvor det er almindeligt, at 2 eller 3 ledende personer bidrager sammen eller parallelt til en banebrydende opdagelse.

Gennem årene er Nobelprisen blevet DEN videnskabelige pris, der forsøger at balancere mellem teoretiske og meget praktiske opdagelser. Den har belønnet resultater, der lagde grundlaget for den moderne verden som radioaktivitet, antibiotika, røntgenstråler eller PCR, såvel som grundlæggende videnskab som solens energikilde, elektronladning, atomstruktur eller superfluiditet.

Et batteri til at drive dem alle

I dag virker elektrificering som en ustoppelig tendens, der overtager vores energisystemer og erstatter fossile brændstoffer, fra elbiler til varmepumper. Intet af dette ville have været muligt uden fremkomsten af batterier, der er radikalt mere kraftfulde end de tidligere designs baseret på metal og syre.

Batterier, som et generelt koncept, fungerer ved at lagre elektricitet og frigive den igen. Mens nogle batterier er engangs, er de mere nyttige batterier genopladelige. I meget lang tid var bly‑syrebatteriet, opfundet i midten af 1800‑tallet, den dominerende form for genopladeligt batteri takket være dets lave omkostninger og robusthed.

På deres simpleste fungerer bly‑syrebatterier ved at overføre svovl‑ioner fra syren til bly‑atomerne under opladning og vende denne reaktion ved afladning.

Dette design forblev det dominerende batteriformat, men var begrænset af flere problemer:

  • Tung vægt
  • Korrosive materialer.
  • Relativt kort levetid med kun et par hundrede til tusind cyklusser.
  • Selvafladning over tid.
  • Begrænset energilagring/energitethed.

Alle disse begrænsende faktorer gjorde bly‑syrebatteriet til et godt valg for lav‑effekt‑applikationer som at drive gnister og radio i en benzinbil. Men alt, der krævede mere, fra elektronik til erstatning af fossile brændstoffer, ville ikke fungere med denne batteritype.

Dette ændrede sig takket være det kombinerede arbejde af tre forskellige forskere, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham og Akira Yoshino. Sammen vandt de Nobelprisen i 2019 i kemi for deres bidrag til at skabe lithium‑ion‑batteriet.

I dag er lithium‑ion‑batterier gået fra at drive computere, smartphones og backup‑powerbanks til elbiler, elnet og måske snart også fly.

Lithiums unikke elektriske egenskaber

Lithium blev først opdaget i 1817 af svenske kemikere. Det er det letteste faste grundstof med atomnummer 3 (kun 3 protoner i kernen).

Kilde: Medium

Lithium‑atomernes lille størrelse betyder, at de kun har én elektron i deres yderste skal, og når denne elektron bevæger sig til et andet atom, giver det dem en enorm elektrisk potentialeændring pr. atom.

Mens denne ekstreme reaktivitet er ideel til brug i batterier, medfører den også visse farer. På grund af grundstoffets høje reaktivitet er der risiko for, at rent lithium‑metal selvantænder, når det kommer i kontakt med vand eller luft. Dette er nogenlunde analogt med metallisk natrium eller magnesium.

De fleste batterier fungerer ud fra det grundlæggende koncept med en negativ anode og en positiv katode, forbundet via en flydende elektrolyt.

Lithiums ekstreme reaktivitet betød, at elektrolytten ikke kunne være vandbaseret. I 1960‑erne blev flere sådanne elektrolytter designet ved brug af organiske (kulstof‑baserede) molekyler for at finde den rette kombination af inaktivitet, smeltepunkt, redox‑stabilitet, opløselighed af lithium‑ioner og -salte, ion‑/elektron‑overførselsrater, viskositet osv.

Den oprindelige konstruktion af lithium‑ion‑batterier brugte metallisk lithium som anode og kulstofforbindelser som elektrolytter. Men at finde det rette katodemateriale var en større udfordring.

Store olie skaber lithiumbatterier

Så overraskende som det kan lyde, blev oprindelsen til det moderne lithium‑ion‑batteri, som i sidste ende ville true benzinmotorbilen, udviklet hos “Store olie” Exxon Research and Engineering Company.

I 1970‑erne blev idéen om “peak oil”, eller udtømning af oliereserver, taget meget alvorligt af olieselskaberne. For at sikre virksomhedens fortsatte tilstedeværelse i energisektoren ansatte Exxon nogle af de bedste videnskabsfolk på området. De fik generøse forskningsbudgetter kombineret med den sjældne frihed til uafhængigt at forfølge den idé, de mente var mest lovende.

Blandt dem var Stanley Whittingham, en forsker fra Stanford University, der specialiserede sig i “interkalation”. Interkalation er fænomenet, hvor atom‑sized huller i et materiale kan binde til ioner.

Interkalation ville være det ideelle materiale til at bygge en katode til lithium‑ion‑batterier, idet den holder lithium‑ioner i hullerne.

Dette krævede dog omfattende forskning, da katoden også skulle opfylde en lang række specifikationer:

  • Opløses ikke i elektrolytten.
  • Ingen interkalation af elektrolytten.
  • Interkalation skal være reversibel.
  • Minimale strukturelle ændringer ved opladning og afladning.
  • Kan fungere ved stuetemperatur og -tryk.

Whittingham valgte til sidst titandisulfit (TiS2) efter at have overvejet tantaldisulfit, men valgte titanium på grund af tantals tunge vægt.

For at øge ydeevnen fandt de en metode, hvor TiS2‑pulver blev blandet med Teflon og fastgjort på en stålsupport, omgivet af en polypropylenfilm og lithium‑metal.

Dendritproblemet

Et problem plagede stadig den potentielle lithium‑ion‑batteri. Over mange opladnings‑/afladnings‑cyklusser dannede en træ‑lignende struktur kaldet dendrit ud af lithium.

Når dendriten brød igennem isolatoren, der adskiller de to segmenter af batteriet, skabte den en kortslutning. Dette problem stoppede udviklingen af et kommercielt lithium‑ion‑batteri i dets spor.

Da de nåede den anden elektrode, kortsluttede batteriet, hvilket kunne føre til en eksplosion.

Brandvæsenet måtte slukke en række brande og truede til sidst med at få laboratoriet til at betale for de specielle kemikalier, der blev brugt til at slukke lithium‑brande.

Dendriten blev mere håndterbar ved at tilsætte aluminium til lithium‑anoden, hvilket skabte det første kommercielle lithium‑ion‑batteri, der blev brugt i ure i 1976.

Samtidig faldt oliepriserne, som var steget kraftigt i 1970‑ernes stagflation, igen. Nye oliereserver blev også opdaget, hvilket reducerede frygten for peak‑oil. Det reducerede også Exxons indtægter og overskud, hvilket tvang virksomheden til at skære ned på grundforskning og licensere det nyopfundne batteri til andre virksomheder.

Bedre katodemateriale

Hvor Stanley Whittingham skabte en brugbar katode, forbedrede den næste Nobelprismodtager, John Goodenough, dens elektriske potentiale og øgede batteriets ydeevne.

Goodenough, en fysiker og matematiker, havde tidligere bidraget til opfindelsen af random access memory (RAM) på MIT. Han flyttede derefter til Oxford University for at forske i energisystemer, især batterier.

Da han studerede de nyopfundne lithium‑ion‑batterier, indså han, at metal‑oxid kunne fungere endnu bedre end Whittinghams metalsulfid. Efter en systematisk søgning fandt han, at lithium‑kobolt‑oxid‑designet havde dobbelt så meget elektrisk potentiale som det tidligere design, på 4 V, og offentliggjorde sin opdagelse i 1980.

Dette kobolt‑baserede design forblev den dominerende funktion i lithium‑ion‑batterier indtil sidste årti, hvor kobolt‑fri alternative kemier begyndte at dukke op. En stadig igangværende proces, som vi diskuterede i vores artikel “Design af et bedre batteri – Ud med kobolt og ind med…TAQ?”.

Et nyt hjem for lithiumforskning

I vestlige lande reducerede det dramatiske fald i oliepriserne i 1980‑erne efterspørgslen efter alternative energiløsninger. I Japan derimod blev bærbare forbrugerelektronik en blomstrende industri. Den havde brug for en stigende strømforsyning, som også var lang‑varig, let og lille nok til at passe i Walkmans, kameraer, computere, trådløse telefoner osv.

Akira Yoshino fra Asahi Kasei Corporation indså tidligt, at batterier var det manglende led, og at industrien ville have brug for dem.

Lithium‑ion‑batterier var et godt match i forhold til energitæthed, og de havde nu en god katode med Goodenoughs kobolt‑baserede design. Problemet med lithium‑metal‑anoden og dens farlige dendritter bestod dog stadig.

Yoshino testede batterier indeholdende rent lithium og så, at tests som at slippe en tung vægt på batteriet kunne forårsage en kraftig eksplosion. Dette var for farligt for større batterier til at bestå forbrugerbeskyttelseslovgivning, og ville uanset hvad være en PR‑katastrofe i vente.

Fjernelse af lithium fra anoden

Grafit, eller rent kulstof, som spidsen på en blyant, var længe kendt som en potentiel erstatning for metallisk lithium‑anode, takket være dets lave elektriske potentiale i forhold til Li⁺/Li. Problemet var, at grafitten blev beskadiget og flåede af i den organiske elektrolyt.

Yoshinos nøgleindsigt, som ville give ham Nobelprisen, var at bruge petroleumskoks i stedet for grafit. Koks er et biprodukt fra petroleumsindustrien, og nogle kvalitetsgrader af produktet viste sig at være stabile under de nødvendige betingelser for at danne et lithium‑ion‑batteri.

Yoshino målte også, at en koks‑anode med de rette krystallinitetsgrader kunne rumme og frigive store mængder lithium‑ioner. Dette design var langt sikrere og banede vejen for kommercialiseringen af større lithium‑ion‑batterier.

Yoshino gik derefter videre med at bygge et sådant batteri med både sin nyudviklede koks‑anode og Goodenoughs kobolt‑oxid‑katode.

Det blev kommercielt lanceret i 1991 af Sony og Asahi Kasei, 11 år efter Goodenoughs opdagelse og 15 år efter Whittinghams første kommercialiserede lithium‑ion‑batteri.

Lithium‑ion‑arven og fortsatte relevans

Yoshinos koks/kobolt‑oxid‑lithium‑ion‑batterier fandt hurtigt vej ind i alle moderne elektroniske enheder. Sammen udviklede de sig med fremskridtene inden for computing og elektronik og skabte efterfølgende laptops, mp3‑afspillere, smartphones, håndholdte konsoller og tablets, som nu er allestedsnærværende i vores liv.

Lithium‑ion gennemgik en ny revolution med fremkomsten af elbiler. De blev først boostet af Tesla (TSLA ) og kinesiske bilproducenter som BYD (et batteriselskab før de blev verdens største elbilproducent, se mere om BYD i slutningen af artiklen).

Da kun én elbil bruger batterivolumenet fra hundreder af smartphones eller computere, har denne markedsændring ført til en eksplosion i efterspørgslen efter lithium‑ion‑batterier, som overgår markedet før 2015.

Kilde: Statista

Elektrificeringsrevolutionen er nu i fuld gang, selvom etablerede bilproducenter og mindre startups kæmper med overgangen, for nu er de overgået af aggressive kinesiske bilproducenter med et forspring i elbilteknologi.

Lithium‑ion‑batterier gør også fremskridt i stabilisering af elnettet, som i stigende grad er afhængigt af intermitterende vedvarende energikilder. Dette er dog en kategori, hvor lithium‑ion måske ikke er den bedste tilgængelige kemi, som vi diskuterede i “Fremtiden for energilagring – Utility‑Scale Batteriteknologi”.

Fremtidens batteriteknologi

Et problem med den eksplosive efterspørgsel efter lithium‑ion‑batterier fra elbiler er, at den også har forårsaget en eksplosion i efterspørgslen efter de metaller, de indeholder.

Dette har medført ekstrem volatilitet i lithiumpriserne, hvor lithiumminedriften gennemgår hurtige cyklusser af under‑ og overproduktion.

Andre metaller, som kobolt, kan være endnu mere problematiske, da deres masseproduktion er forbundet med børne‑ og slavearbejde samt andre menneskerettighedskrænkelser.

Af disse grunde identificerede John Goodenough allerede i 1996 lithium‑jern‑fosfat (LFP) som et kobolt‑frit alternativ (“LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries”).

LFP viste sig at være et mere bæredygtigt og billigere alternativ til klassiske lithium‑ion‑batterier, selvom det har en lavere energitæthed. I 2022 udgjorde LFP‑batterier 31 % af elbilbatterimarkedet. De anvendes også almindeligt i hjemme‑energilagring.

Andre alternativer er på vej til markedet, især natrium‑ion (som fuldstændigt erstatter lithium med billigere salt) og fast‑state‑batterier.

Kilde: Nature

Du kan læse en oversigt over mobilitets‑orienteret batteriteknologi i “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi”.

Dette inkluderer glas‑batterier, det sidste batterikoncept, som Dr. Goodenough arbejdede på inden sin død i 2023 med påståede påstande som dobbelt så høj energitæthed som konventionelle lithium‑ion‑batterier, muligheden for at blive opladet 23 000 gange samt en opladningstid på kun få minutter.

Investering i batteriteknologi

Lithium‑ion‑batterier har allerede ændret verden flere gange, fra at gøre det muligt for folk at bære avanceret elektronik overalt til at drive biler udelukkende med elektricitet. De kan stadig gøre det igen, eller andre batterityper kan muliggøre et 100 % vedvarende energinet eller elektrificering af fly, når de når en tilstrækkelig høj energitæthed.

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

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke batterivirksomheder, kan du også kigge på biotech‑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 giver en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af den voksende batteriindustri.

Batteri virksomheder

1. CATL (300750.SZ)

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 leder inden for batteriteknologi.

Dette gælder også for lithium‑ion‑batterier, hvor virksomheden i lang tid har været en veletableret leder.

CATL har også annonceret imponerende fremskridt på flere andre batterityper :

Kilde: CATL

For nylig blev det annonceret, at de i det væsentlige har løst problemet med dendritter, der dannes med lithium‑metal som anode, takket være en 3D‑struktur, der blokerer deres dannelse.

Virksomheden er aktiv på utility‑scale batterimarkedet med annonceringen af deres TENER‑systemperformance. Det er “verdens første masseproducerbare energilagringssystem med nul degradering i de første fem år i brug i Beijing, Kina”.

Enorm energi i et kompakt rum: 20‑fod container med 6,25 MWh kapacitet.

Drevet af banebrydende teknologier og ekstreme produktionskapaciteter har CATL løst udfordringerne forårsaget af stærkt aktive lithium‑metaller i nul‑degraderingsbatterier, hvilket effektivt hjælper med at forhindre termisk løbsk, forårsaget af oxidationsreaktioner.

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

Takket være deres skala, fokus og F&U‑resultater er CATL sandsynligvis i frontlinjen for batteriinovation, produktion og genanvendelse. Dette gør dem til en nøglepartner for elbilproducenter, herunder Tesla, NIO, Ford, Stellantis osv.

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 natriumbatterier, kan et helt nyt marked åbne for BYD‑elbiler.

Alligevel er BYD i sin kerne stadig en batteriproducent og er 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 beskyttelsesisme (selv over de nyligt indførte toldsatser), hvilket kan hæmme BYD’s vækst.

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

Dette repræsenterer flere milliarder af potentielle kunder for BYD, som bor i lande, der ønsker at finde en geopolitisk balance og holde gode relationer både med 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 på lokale elbilproducenter sammenlignet med priser i Kina, samt lokalisering af produktionen uden for Kina for disse markeder, som 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'.