Aluminium-Luft Batteriteknologi: Driver elbiler med skrotaluminium

Lateral tænkning for at løse EV-begrænsninger

EV’er har taget bilmarkedet med storm, med lande som Kina og Norge, der allerede har stærk markedsindtrængning. Samtidig er udbredelsen af EV’er fortsat bagud i mange lande på grund af nogle få nøglebegrænsninger:

• Lav rækkevidde for billigere EV-modeller.
• Langsom opladningshastighed, som i kombination med hyppig opladning på grund af lav rækkevidde kan gøre langture vanskelige.
• Bekymring for elnettet’s evne til at håndtere tilføjelsen af millioner af nye EV’er.

De første to problemer, rækkevidde og opladningshastighed, er noget branchen forsøger at løse med nye batterikemi, samt et hurtigere og mere tæt netværk af ladestationer. Men dette er stadig en svær nød at knække. Vi detaljerede alle de potentielle veje for nye batterier i vores artikel “Fremtiden for energilagring – Storskala batteriteknologi”.

Netproblemerne forværres af den uregelmæssige karakter af vedvarende energiproduktion. En bølge af EV’er, der oplader om aftenen, når folk er hjemme fra arbejde og pendling, er ikke velkommen, når solenergi allerede er ude af billedet.

Men et nyt koncept kunne løse alle disse problemer på én gang. Hvad hvis vi i stedet for at vælge mellem ICE (forbrændingsmotor) & flydende fossilt brændstof eller EV & batterier, kunne “tankere” EV’er med et fuldt genanvendeligt brændstof?

Aluminiumens energipotentiale

Aluminium er et meget almindeligt grundstof på Jorden. Faktisk er det det mest almindelige metal på Jorden, foran jern, og udgør 8 % af jordens skorpe. Det er også et metal, der kræver meget elektricitet til sin produktion, fra rå bauxitmalm til alumina og derefter aluminiummetal. Dette har gjort, at aluminium nogle gange endda kaldes “frosset elektricitet”.
Under sin almindelige og rolige fremtoning kan aluminium være et meget reaktivt metal under de rette omstændigheder og er blevet brugt i fyrværkeri; aluminiumpulver drev endda de faste raketboostere på rumfærgen. Faktisk er aluminium 2,5 × mere energitæt end diesel eller benzin. Så kommer Aluminium-Luft batterier.

Aluminium-Luft batterier lagrer og producerer elektricitet gennem oxidation og reduktion af aluminium. Det får aluminiummetallet til at reagere med luft og tilbyder en af de højeste energitætheder blandt alle batteriteknologier, der i øjeblikket er tilgængelige. Det kan være otte gange lettere & fire gange mindre end Lithium-Ion.

Aluminium-Luft batterier skal ikke forveksles med Aluminium-Ion batterier, som ligner på Lithium-ion, men bruger et andet metal.

Aluminium-Luft fordele

Da katoden kun er ilt fra omgivende luft, er der ingen grund til en metallisk katode, hvilket gør batteriet meget lettere end dets konkurrenter.

En anden fordel er, at det i bund og grund er en “elektrisk motor”, der forbruger aluminium i stedet for olie, og som ikke mister spænding ved afladning som batterisystemer gør.

Begrænsningen er, at dette forbruger aluminium og ikke kan genoplades ved blot at tilslutte batteriet. Således er det mere lig sit princip til et almindeligt AA-batteri end til et lithium-ion batteri. Derfor kræver det et system til batteriskift, der tager omkring 90 sekunder, i stedet for en flydende brændstoftankning eller en 10‑15 minutters elektrisk genopladning.

Et alternativ kan også være at bruge en blanding af Aluminium-Luft batterier + genopladelige batterier, hvilket tillader fleksibel brug af direkte genopladning eller aluminium-drevet fremdrift afhængigt af behov, svarende til et hybridkøretøj, men uden fossilt brændstof.

Infrastrukturfordele

Et stærkt element til fordel for Aluminium-Luft batterier er, at der allerede findes en veletableret, effektiv og opskaleret industri for aluminiumgenbrug – noget der stadig kraftigt mangler i Lithium-Ion batterier.

Det betyder også, at for indkøb af grundmaterialet kan Aluminium-Luft batteriindustrien hente sit materiale fra skrotaluminium reddet fra gamle bygninger, maskiner eller fly og samtidig generere strøm. Overordnet kræver systemet ingen kritiske/forurenende/dyre ressourcer som lithium, nikkel, kobolt eller sjældne jordarter.

Som nævnt ovenfor betyder batteriskift også, at der ikke er pres på elnettet for at opladningen skal ske øjeblikkeligt, når EV’erne kommer til opladnings-/tankstationen. I stedet kan regenereringen af aluminium og genopladning af batterierne udføres med vedvarende energi, når den produceres i overskud.

Endelig kan aluminiummetal ikke kun regenereres med grøn energi, når det er praktisk, men det kan også let opbevares uden store omkostninger, da det er et stabilt og ikke-giftigt fast metal, der ikke oxiderer meget. Så kan energi lagres gennem aluminiumslagre i lange perioder, til en langt lavere lagringsomkostning end med batterier, ammoniak eller brint.

Den massive transport af aluminium kræver heller ikke specifik infrastruktur som brint gør og kan udføres med almindelige lastbiler eller tog.

Aluminium-Luft batterier – ulemper

En begrænsning ved Aluminium-Luft batterier er behovet for et tæt netværk af batteriskiftesstationer. På grund af problemet med manglende standardisering af EV’er og omkostningerne ved at bygge et tilstrækkeligt tæt netværk, har batteriskift ofte været en mislykket idé. Dette er endnu mindre sandsynligt at lykkes for traditionelle batterikoncept, da EV-industrien bevæger sig mod “strukturelle batterier”, der er integreret i køretøjets ramme.

Nogle virksomheder (se nedenfor) arbejder på batteriskift for aluminium-luft batterier, så det kan udføres manuelt, hvilket kraftigt reducerer den teknologiske kompleksitet og behovet for en dyr batteriskiftesstation, med enklere leveringsautomater, som til propangasflasker, der er tilstrækkelige til opgaven. Under alle omstændigheder vil der skulle etableres en infrastruktur til indsamling og genopbygning/genopladning af de brugte batterier.

Generelt er konceptet ikke nyt og blev først forestillet i 1960’erne. På det tidspunkt blokerede elektrolytens toksicitet fremskridtet for denne teknologi. Andre tekniske problemer kan også være betydelige, primært relateret til luftkatoden:

“Den langsomme effektivitet af iltreaktionsreduktionen er barrieren for dens anvendelse. Andre problemer inkluderer CO2-reaktion med alkalisk elektrolyt, der producerer karbonatpræcipitat, vandfordampning til åben luft [elektrolyt udtørring] og elektrolytindtrængning i luftkatodens porer.” – Kilde: Automotive Logistics

Aluminium-Luft virksomheder

1. Aluma Power

Aluma Power er et canadisk firma beliggende på Aamjiwnaang First Nation-områder.
Aluma Power forestiller sig en fuld cykluseffektivitet på 43 % og 700 % effektivitet, når aluminium først bruges til andre anvendelser som at bygge rammer til biler, bygninger, fly, drivhuse, både osv., før det genanvendes til brændstof.

Aluma Powers unikke tilgang er at fokusere på en mekanisk metode til at afbøde begrænsningerne ved Aluminium-Luft batterier, såsom anodekorrosion og slid, ved at rotere anoden. Dette design kan bruge hvilket som helst skrotaluminium, inklusive smeltede motorblokke eller sodavandsdåser. Det er dokumenteret i det amerikanske patent US10978758B2.
Brændselsdisken kan skiftes på få minutter og holder op til 130 timers forbrug.

Virksomheden hævder, at deres disksystem muliggør 70 % færre kapitalomkostninger end konkurrenterne og lavere arbejdskraftomkostninger for “lagring som en tjeneste”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique i Frankrig og dets datterselskab i Storbritannien, MAL, udvikler Aluminium-Luft batterier. Virksomhedens nøgle‑IP er en proprietær elektrolytkemi, som påstås at reducere problemer med anodekorrosion og poreblokering.

Virksomhedens hjemmeside er lidt sparsom, med primært nogle nyhedsartikel‑links og kunngørelse af en kommende produktlancering i 2024. Dette kan være lidt bekymrende, i betragtning af en tidligere meddelelse om en lancering i Q4 2021.

Virksomheden ser ud til at fokusere på 3 forskellige produktkoncepter:

• En 300‑miles rækkeviddeforlænger til EV’er, i drøftelse med 2 meget store bilvirksomheder.
• Et 1.500‑miles rækkevidde EV‑batteri. MAL har underskrevet en multi‑million‑pund aftale med Austin Electric om masseproduktion af disse batterier i Storbritannien.
• £3.500 konverteringskits der omdanner almindelige brændstofbiler til hybrider.

MAL hævder, at fremstillingen af deres batteri kun koster $36/kWh sammenlignet med omkring $180/kWh for Lithium-Ion batterier. Når batteriamortisationen medregnes, vil driftsomkostningen blive £0,08/mile i stedet for £0,50/mile for Lithium-Ion.
Teknologien kunne også anvendes på fly, forsvarsbatterier og fjernstrøm på øer.

3. RiAlAiR

Virksomheden fokuserer på at producere Aluminium-Luft batterier til båd- og fiskeribranchen. Virksomheden tilbyder en abonnementsservice for sine batterier, hvilket reducerer de indledende omkostninger og hjælper med at mindske forurening og høje brændstofomkostninger.

Fokus på professionelle bådanvendere som fiskerbåde og taxa-både betyder, at det økonomiske argument om billigere brændstof kan ramme plet, og forretningssagen behøver ikke at basere sig på grøn energi‑argumenter, men blot på øget rentabilitet.

Skiftet fra fossilt brændstof til en elektrisk båd åbner også muligheden for at supplere energiforsyningen med solpaneler eller vindmøller på selve båden, hvilket yderligere øger brændstoføkonomien og bådens autonomi.

Endelig er et elektrisk drivsystem mere effektivt til båddrift, med 92 % af energien omdannet til fremdrift, i stedet for kun 35 % for brændstofdrevne både (forskellen skyldes termiske og mekaniske tab i ICE‑motorer).

I øjeblikket forbruger millioner af fiskerbåde 50 milliarder liter brændstof om året, hvilket udgør 1,2 % af den globale brændstofforbrug, hvor størstedelen har en tonnage under 20 ton og er kortere end 12 meter, primært beliggende i Asien. Der er også 15 millioner fritidsbåde, der har potentiale til at blive skiftet til grønnere elektrisk fremdrift.

Selvom elektrisk fremdrift har været en ikke‑starter for båddrift, har begrænsningen altid været batteriernes energitæthed. Dette er noget, som moderne Aluminium-Luft design kan løse, potentielt skabe et niche‑men rentabelt marked for disse batterier.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy er det eneste firma, der beskæftiger sig med Aluminium-Luft teknologi, som vi kunne finde, og som også er børsnoteret. Det israelske firma udvikler både aluminium- og zinkbaserede batterier. Det sigter mod markedet for strømbackup, mobilitet/EV’er og energilagring. Det ser også på potentialet for marin energi, med containeriserede batterier.

Firmaet har for nylig underskrevet en aftale om at levere 300 strømbackup‑systemer til det indiske telekommunikationsselskab Indus Power, samt en vellykket test med Cellnex, et andet telekommunikationsselskab. Det tester også sit system med en førende cloud‑datacentervirksomhed.

Det viste også en prototype af en elektrisk Tata passagerbil i januar 2023. Indien er i centrum for firmaets eksportstrategi, efter at have underskrevet en aftale om at opbygge et økosystem med Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), en af Indiens største aluminiumproducenter.

5. Log9

Dette indiske firma er den første indenlandske Lithium-Ion battericelleproducent, som også producerer sit eget batteristyringssystem. Firmaet producerer batterier, grafen‑ultracapacitanser og Aluminium‑Brændselsceller (AFC).

Firmaet blev rapporteret i 2020 for at have et team på 45 personer, der arbejder på Aluminium-Luft batterier. Det diskuterede også en prototype af et sidste‑kilometer leveringskøretøj, der kan køre 3.000 km på en enkelt “ladning” i 2021.

For nylig ser det ud til, at firmaet primært har fokus på hurtigopladning af Lithium-Ion batterier, så det er ikke klart, om dets mål for Aluminium-Luft bliver opfyldt, men teknologien er stadig fremtrædende på dets hjemmesideforside.

Konklusion

Aluminium-Luft batterier, eller måske aluminiumbrændselsceller, ville være en bedre betegnelse, er et meget interessant alternativ til den konventionelle tilgang til EV‑ og batteriteknologi. Ved at levere et metallisk fast brændstof kan det omgå de fleste hindringer for EV‑adoption samt løse problemet med at håndtere den uregelmæssige karakter af vedvarende energi ved at “lagre” den i genanvendt fast aluminium.

For nu er teknologien stadig i sin spæde start, uden at nogen af de største korporationer eller batterifirmaer ser ud til at arbejde på den. Dette skyldes delvist, at konceptet radikalt afviger fra den konventionelle tankegang i EV‑industrien og ville kræve et helt andet kompetencesæt og produktionsprocesser.

Det skyldes også, at teknologien ofte falder uden for grønne politikker og subsidier, da den hverken opfylder kravene til brint‑brændselscelleteknologi eller til de genopladelige batterier/EV‑politikker. Den ser ud til at blive mest velkommet i Indien, hvor landet er ivrig efter at indhente Kina inden for batteriteknologi og grøn energi.