Fremtiden for Mobilitet – Batteriteknologi

Elbilerne på fremmarch

Da Tesla blev grundlagt i 2003, blev idéen om elbiler generelt set som en joke. På det tidspunkt var hver elbil grundlæggende en forfinet golfcart med dårlig batterirækkevidde, lav komfort, lille størrelse og meget lav topfart.

Tesla Roadster (1. generation, da en ny version forventes i 2026) ændrede helt denne opfattelse, med ydelsen af en luksus sportsvogn, der gjorde elbiler (EVs) pludselig cool.

Den afgørende del, der gjorde EVs pludselig leveable, var fremskridt i batteriteknologi. Først var dette baseret på lithium-ion batterier designede til det små elektroniske marked. Og snart blev mere dedikerede systemer udviklet til at give EVs mere autonomi.

Fra en lille volumen, selv i 2016, er elbiler (EVs) nu en eksponentielt voksende del af globale salg, med mere end 10 millioner elbiler solgt i 2022, eller 14% af globale salg, med Kina og Europa i spidsen.

Globale EV-salg – Kilde: IEA

Alligevel, på trods af denne fremgang, er der stadig nogle åbne spørgsmål om adoptionen af EVs. EV-salg er gået langsommere i møde med høj inflation og behovet for at overbevise den brede offentlighed – ikke kun tidlige adopterer. Dette har nylig ført til udskydelse eller annullering af EV-strategi fra større fabrikanter, såsom GM, Ford eller Honda.

Nuværende begrænsninger

Tidlige elbil-entusiaster var glade for at bruge køretøjer, der kunne være mere kulstofneutrale og repræsenterede en ny teknologi. Mindre miljøbevidste købere er stadig noget skeptiske over for EVs af en række årsager:

• Pris: De fleste EVs koster stadig mere end deres ICE (Interne Forbrændingsmotor) modsvar. Med stigende renter kan dette gøre EVs for dyre for mange mennesker.
• Rækkeviddeangst: En måde at reducere prisen på en EV er at vælge den mindre batteripakke. Men derefter kan lavere rækkevidde gøre lange ture svære, og opladningstiden kan være lang.
• Kold vejr: Jo koldere klima, jo mere skadeligt er det for batterier. De fleste EVs skal oplades på vinteraftener, hvis de ikke er i en varm garage. Desuden reducerer kulde den teoretiske rækkevidde af EVs.
• Opladningsinfrastruktur: Personer, der bor i lejligheder, kan have svært ved at oplade deres EVs, hvis der ikke er nok offentlige opladningsstationer til rådighed. Lange køer, langsom opladning eller ingen stationer i nærheden kan give en dårlig oplevelse.
• Batterisikkerhed og holdbarhed: Lithium-ion batterier indeholder meget energi. Og elektrolytterne i batteriet er meget brandbare. Dette gør batterierne potentielt til en sikkerhedsrisiko, især i lukkede miljøer som underjordisk parkering. Ikke at ICE-biler er ikke-brandbare, men det er stadig en bekymring.
• El-net: Mens det ikke er en bekymring for EV-købere, kan det blive et problem for sektoren som helhed. El-nettet er allerede noget anspændt og kan måske ikke håndtere millioner af køretøjer, der skal oplades. Kilden til elektriciteten er også et problem, med meget af det kommer fra fossile brændstoffer, herunder kul.

De fleste problemer med nuværende EVs kan løses med bedre batterier. Langsom opladning, for lav rækkevidde, sikkerhedsproblemer, kuldesensitivitet og endda pris er alle karakteristika for nuværende lithium-ion batterier.

Forskere og industriledere arbejder hårdt på at løse disse mangler, enten ved at forbedre den eksisterende design eller opfinde helt nye måder at bygge batterier på.

Samlet set betyder tættere batterier billigere, sikrere batterier, der også er mere sandsynlige til at vare længere og oplade hurtigere.

Forbedring af lithium-batterier

Det første skridt er at forbedre de eksisterende batterier og udnytte den store viden og erfaring med denne teknologi. Nogle forskere ser den nuværende generation af batterier stadig kan forbedres inkrementalt indtil 2030: “Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision”.

Det første er at forbedre kathoden delen af batteriet, der nu er primært lavet af lithium og nikkel i lithium-ion batterier. En dybere forståelse af den krystalstruktur og kemiske ændring, når en batteri aldrer, kunne forbedre alle specifikationer af batterierne.

Anoder, der nu er lavet af grafite, kunne erstattes af 5-10 gange mere energitætte silicium eller siliciumoxid. Dette har hidtil været svært, da siliciumanoder har tendens til at “aldrer” for hurtigt. Grafite-silicium-blandinger er allerede blevet mere almindelige og kunne hjælpe med at øge batteriernes samlede energi.

Ændring af elektrolytterne, der forbinder anoden og kathoden, kunne også hjælpe. Nye typer af flydende opløsninger, mere koncentrerede elektrolytter eller måske endda gel-lignende elektrolytter kunne forbedre sikkerhedsprofilen og øge batteritætheden.

Til sidst er en bedre design en mulighed for at optimere forholdet mellem batterier og EVs. Mange EV-fabrikanter er begyndt at bruge såkaldte struktur-batterier, der både er energilagring og strukturkomponenter i køretøjet. Dette kan reducere den samlede bilvægt, hvilket kan føre til mere effektivitet og rækkevidde. Rolls-Royce, Tesla og Volvo arbejder allerede på denne idé, der kunne øge rækkevidden med 16%.

Faststof-batterier

Længe teoretiseret og langsomt gjort til virkelighed i laboratorier, faststof-batterier beskrives ofte som “den hellige gral” af batteriteknologi.

Idéen er at helt fjerne behovet for flydende elektrolytter, hvilket reducerer batteriets vægt og øger dens tæthed dramatisk. Fjernelse af den brandbare elektrolyt skal gøre batteriet meget sikrere. Fjernelse af elektrolytter skal også simplificere produktionsprocessen; fjern op til 3 uger i produktionslinjen.

Til sidst lover sådanne designs næsten fuld opladning på 3-5 minutter, eller omkring samme tid det tager at tanke en bil med benzin.

Mange virksomheder taler om at lancere deres egen version af faststof-batterier så tidligt som 2026-2029. Dette inkluderer QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), og Samsung SDI (006400.KS). For nu er Tesla (TSLA) arbejder på dens egen alternative til faststof-batterier, 4680 battericeller baseret på lithium-ion teknologi.

Faststof-batteriers problemer

Faststof-batteriudvikling har været plaget af vanskelighederne ved at skala op laboratorieprototyper til massproducerede produkter. Pålidelig, automatiseret og lavomkostningsproduktion er stadig under udvikling, og tidsplanen for ankomsten til markedet af faststof-batterier er sandsynligvis i 2026-2028 horisonten på bedste tid.

Kilde: Vertex Holdings

Til sidst vil faststof-batterier bruge meget mere lithium end nuværende lithium-ion batterier, noget der kan føre til en gentagen skyrocketing pris for lithium i 2022, da det steg 10 gange på 2 år. Genbrug kan også være svært.

“Kondenseret” batterier

Måske behøver vi ikke at vente på faststof-batterier for at se meget højtyktede batterier. CATL har annonceret sin skabelse af et “kondenseret stof” batteri, der kan nå 500 Wh/kg. Virksomheden hævder også muligheden for at opnå masseproduktion på kort tid, hvilket kommer fra sektorens leder og ikke en lille startup, er sandsynligvis troværdigt.

Dette er et niveau af tæthed, der tidligere blev troet kun at være opnåelig med faststof-batterier. Det er også niveauet, der kræves for at overveje elektriske fly og andre anvendelser, der hidtil har været umulige at elektrificere.

Alternative batterikemier

Der er mange mulige alternativer til lithium-ion til at skabe et batteri. Men kun få batterikemier vil have den rigtige blanding af letvægt, høj tæthed og sikkerhed til at være egnede til brug i mobile anvendelser.

På lang sigt kan nogle af disse alternative batterier måske endda erstatte de mere kostbare lithium-batterier, i hvert fald når det kommer til den mere prisfølsomme bilmarked.

Lithium-Jern(Ferrum)-Fosfat Batterier – LFP

LFP-batterier har længe været ude af mobilitetsanvendelser på grund af for lav energitæthed, typisk 30-40% lavere end et klassisk lithium-ion batteri. Den seneste version af denne kemikalie er nu nået tæthedsniveauet af ældre generationer af lithium-ion batterier, hvilket gør dem anvendelige for lavpris-køretøjer.

En stor fordel ved LFP er, at de ikke kræver noget nikkel eller kobolt, begge ansvarlige for prisen på klassiske lithium-ion batterier. Til gengæld er jern og fosfat overvældende og billige. LFP er også mere sandsynlige til at vare længere, hvilket reducerer den samlede livscyklusomkostning af batterisystemet.

Den førende fabrikant af LFP er den kinesiske CATL (300750.SZ), sammen med BYD (BYDDF), selvom virksomheden nu ser på andre muligheder for at fastholde sin position som fabrikant af halvdelen af verdens batterier.

Alligevel negligerer det ikke LFP-markedet efter afsløringen i august 2023 af en 700-kilometer LFP-batteri, der kan oplade 400 km rækkevidde på blot 10 minutter.

Natrium-ion

Ud over kobolt og nikkel er lithium den anden vigtige dyre ressource, der går ind i lithium-ion. Til gengæld er natrium ekstremt overvældende og billig og meget mindre sandsynligt at falde i underskud regelmæssigt som lithium.

Den førende kinesiske bilfabrikant, BYD, har annonceret sin intention om at bruge natrium-ion batterier til sine nye lavpris-modeller Dolphin og Seagull, med Seagull måske så billig som 10.000 dollar (desværre kun i Kina).

Dette fulgte annonceringen af en højtykt natrium-ion batteri af CATL i 2021. I november 2023 annoncerede det europæiske Northvolt en gennembrud i natrium-ion, der opnåede samme 160 watt-timer per kilogram energitæthed som CATL.

Selvom det er lidt mindre energitætt end LFP og meget mindre end lithium-ion, kan natrium-ion måske vinde massmarkedet takket være en MEGET billigere pris, potentiel 1/3 del af prisen på nuværende batterier, der bruger nikkel.

Andre kemier

Selvom det ville være for langt at se på hver enkelt, er der ret mange andre potentielle kemier, der måske en dag kan blive alvorlige konkurrenter til batterier, der bruges i mobilitetsanvendelser. Men disse teknologier er på et tidligere stadium, hvilket gør deres adoption i EVs usandsynlig på kort sigt.

Glasbatterier

En interessant idé, der kun bruger meget overvældende materialer, som for nuværende andre forskere har haft svært ved at genskabe i deres egne laboratorier. Men da denne idé støttes af Hr. Goodenough, opfinderen af lithium-ion batteriet, er det ikke at forkaste heller (desværre døde Hr. Goodenough i sommeren 2023)

Graphenbatterier

Graphen, et enkelt lag af kulstofatomer, er ekstremt ledende. Virksomheden Graphene Manufacturing Group (GMG.V) skynder sig for at fremme graphen/aluminium-batterier, der kan have en højere tæthed end lithium-ion, samtidig med at de oplader 70 gange hurtigere og varer 3 gange længere. Virksomheden arbejder med mining-giganten (og grafitten-miner) Rio Tinto for at starte produktion i stor skala for 2025.

Mangan-hydrogen-batterier

Disse batterier ville bruge magnesium til at erstatte lithium. Denne type batteri er blevet beskrevet som “quasi faststof” og kunne håndtere meget bedre temperaturer, så lavt som -22 °C (- 7°F).

Lithium-svovl-batterier

Disse batterier ville bruge lithium og svovl i stedet for dyre kobolt og nikkel. Selv på dette tidlige stadium viser de en bemærkelsesværdig høj energitæthed. De er dog blevet plaget af problemer medholdbarhed og vil nødt til at blive meget mere holdbare for at være en god alternative til eksisterende kemier.

Kilde: Vertex Holdings

Natrium-svovl-batterier

Disse batterier havde hidtil været begrænset til anvendelser, hvor batteriet blev holdt ved høje temperaturer (300°C). Men nye elektrolytter, der forhindrer svovl-opløsning, kunne fjerne dette krav. Så det kan blive en ny vinkel for at finde kraftfulde og billige batterier.

Aluminium-ion batterier

Denne teknologi erstatter lithium-anoden med en aluminium-anode. Ved at bruge en polymers erstatning for grafite, kan disse batterier opnå høj lagringskapacitet.

Aluminium-Luft

Disse “batterier” fungerer ved at forbruge aluminium som en brændstof, hvilket giver den EV, der bruger det, en længere rækkevidde end en benzinbil (1.600 km per tank), med en langt tættere energitæthed end lithium-ion (1.350 W/kg). Dette gør det også til en potentiel elektricitetskilde for elektriske fly.

Det forbrugte aluminium kan derefter erstattes med frisk aluminium på 90 sekunder, og det brugte “brændstof” genbruges. Denne teknologi kan også kombineres med ældre EVs for at give dem tilbage mere rækkevidde.

For nuværende ser det ud til, at hovedbegrænsningen for udviklingen af denne teknologi er, at den ikke modtager offentlig støtte, da den hverken er en sand batteri, brændstofcelle eller hydrogen-baseret, hvilket gør den ikke berettiget til støtte fra eksisterende grønne politikker.