Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi

Stigningen af elbiler

Da Tesla (TSLA ) blev grundlagt i 2003, blev idéen om elbiler for det meste betragtet som en spøg. På det tidspunkt var hver elbil i bund og grund en forstørret golfvogn med dårlig batterirækkevidde, lav komfort, lille størrelse og meget lav topfart.

Tesla Roadster (1^st generation, som en ny version forventes i 2026) ændrede fuldstændigt denne opfattelse, med ydeevnen fra en luksus sportsbil, hvilket gjorde elbiler (EV’er) pludselig seje.

Den afgørende del, der gjorde elbiler pludselig levedygtige, var fremskridt inden for batteriteknologi. I starten byggede dette på lithium‑ion‑batterier designet til det lille elektronikmarked. Og snart blev der udviklet mere dedikerede systemer for at give elbiler større rækkevidde.

Fra et lille volumen selv i 2016 er elbiler (EV’er) nu en eksponentielt voksende del af det globale salg, med mere end 10 millioner solgte elbiler i 2022, svarende til 14 % af det globale salg, hvor Kina og Europa fører an.

Globale elbilssalg – Kilde: IEA

Alligevel, på trods af denne fremgang, er der stadig nogle ubesvarede spørgsmål om adoptionen af elbiler. Salget af elbiler er aftaget i lyset af høj inflation og behovet for at overbevise den brede offentlighed – ikke kun tidlige brugere. Dette har for nylig ført til udsættelse eller aflysning af elbilstrategier hos store producenter som GM, Ford eller Honda.

De nuværende begrænsninger

Tidlige elbilentusiaster var glade for at bruge køretøjer, der kunne være mere CO₂‑neutrale og repræsenterede en ny teknologi. Købere, der er mindre miljøbevidste, er stadig noget skeptiske over for elbiler af forskellige årsager:

• Pris: De fleste elbiler koster stadig mere end deres ICE‑ækvivalenter (forbrændingsmotor). Med stigende renter kan dette gøre elbiler for dyre for mange mennesker.
• Rækkeviddeangst: En måde at reducere prisen på en elbil er at vælge den mindre batteripakke. Men så kan den lavere rækkevidde gøre lange ture vanskelige, og ladetiden kan også være lang.
• Koldt vejr: Jo koldere klimaet er, desto mere skadeligt er det for batterier. De fleste elbiler skal holdes i opladning om vinteraftener, hvis de ikke er i et varmt garage. Desuden reducerer kulde den teoretiske rækkevidde for elbiler.
• Ladeinfrastruktur: Personer, der bor i lejligheder, kan have svært ved at oplade deres elbiler, hvis der ikke er nok offentlige ladestationer tilgængelige. Lange køer, langsom opladning eller ingen stationer i nærheden kan give en dårlig oplevelse.
• Batterisikkerhed & holdbarhed: Lithium‑ion‑batterier indeholder meget energi. Og elektrolytten i batteriet er meget brandfarlig. Dette gør batterier potentielt til en sikkerhedsrisiko, især i lukkede miljøer som underjordisk parkering. Ikke fordi ICE‑biler er ikke‑brandfarlige, men det er stadig en bekymring.
• Elnet: Selvom det ikke er et stort problem for elbilkøbere, kan det blive et problem for sektoren som helhed. Elnettene er allerede noget belastede og kan have svært ved at håndtere millioner af køretøjer, der skal oplades. Kilden til elektriciteten er også et problem, da meget af den kommer fra fossile brændstoffer, herunder kul.

De fleste problemer med nuværende elbiler kan løses med bedre batterier. Langsom opladning, for lav rækkevidde, sikkerhedsproblemer, kuldefølsomhed og endda pris er alle karakteristika ved nuværende lithium‑ion‑batterier.

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

Generelt betyder tættere batterier billigere, sikrere batterier, som også sandsynligvis holder længere og lader hurtigere.

Forbedring af lithiumbatterier

Det første skridt er at forbedre de eksisterende batterier og udnytte den store viden og erfaring med denne teknologi. Nogle forskere ser, at den nuværende generation af batterier stadig kan forbedres inkrementelt indtil 2030: “Udsigter for lithium‑ion‑batterier og videre—en 2030‑vision”.

Den første del er at forbedre katoden delen af batteriet, som i øjeblikket hovedsageligt er lavet af lithium og nikkel i lithium‑ion‑batterier. En dybere forståelse af den krystallinske struktur og kemiske ændringer, når et batteri ældes, kunne forbedre alle specifikationer for batterierne.

Anoder, der i øjeblikket er lavet af grafit, kunne erstattes af 5‑10‑gange mere energitætte silicium eller siliciumoxid. Dette har indtil videre været svært, da siliciumanoder har en tendens til at “ældes” for hurtigt. Grafit‑silicium‑blandinger bliver allerede mere almindelige, og de kan hjælpe med at øge batteriernes samlede energi.

Ændring af elektrolytter , der forbinder anoden og katoden, kan også hjælpe. Nye typer af flydende opløsningsmidler, mere koncentrerede elektrolytter eller måske endda gel‑lignende elektrolytter kan forbedre sikkerhedsprofilen og øge batteriets densitet.

Endelig er et bedre design en mulighed for at optimere forholdet mellem batterier og elbiler. Mange elbilproducenter begynder at bruge såkaldte strukturelle batterier, som både er energilagring og strukturelle komponenter i køretøjet. Dette kan reducere den samlede bilvægt, hvilket fører til større effektivitet og rækkevidde. Rolls‑Royce, Tesla og Volvo arbejder allerede på denne idé, som kan øge rækkevidden med 16 %.

Faststoffbatterier

Længe teoretiseret og langsomt gjort til virkelighed i laboratorier, beskrives faststoffbatterier ofte som den hellige gral inden for batteriteknologi.

Ideen er at fjerne behovet for flydende elektrolytter fuldstændigt, hvilket kraftigt reducerer batteriets vægt og dramatisk øger densiteten. Fjernelse af den brandfarlige elektrolyt bør gøre batteriet meget sikrere. Fjernelse af elektrolytten bør også forenkle produktionsprocessen; fjerne op til 3 uger i fremstillingslinjen.

Endelig lover sådanne designs næsten fuld genopladning på 3‑5 minutter, eller omtrent samme tid som det tager at tanke en bil med benzin.

Mange virksomheder taler om at lancere deres egen version af faststoffbatterier allerede i 2026‑2029. Dette inkluderer QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) og Samsung SDI (006400.KS). Indtil videre arbejder Tesla (TSLA) på sit eget alternativ til faststoffbatterier, 4680 battericeller baseret på lithium‑ion‑teknologi.

Problemer med faststoffbatterier

Udviklingen af faststoffbatterier har været plaget af vanskelighederne ved at skalere laboratorieprototyper til masseproducerede produkter. Pålidelig, automatiseret og omkostningseffektiv produktion er stadig under udvikling, og tidslinjen for markedsintroduktion af faststoffbatterier ligger højst i horisonten 2026‑2028.

Kilde: Vertex Holdings

Endelig vil faststoffbatterier bruge meget mere lithium end nuværende lithium‑ion‑batterier, hvilket kan medføre en gentagelse af den eksplosive prisstigning på lithium i 2022, hvor den steg 10‑fold på 2 år. Genanvendelse kan også være vanskelig.

“Kondenserede” batterier

Måske behøver vi ikke vente på faststoffbatterier for at se meget høj-densitetsbatterier. CATL har annonceret deres skabelse af et “kondenseret stof” batteri, som kan nå 500 Wh/kg. Virksomheden hævder også, at masseproduktion kan opnås på kort tid, hvilket fra en leder i sektoren og ikke en lille startup, er sandsynligvis troværdigt.

Dette er et densitetsniveau, der tidligere blev antaget kun kunne opnås med faststoffbatterier. Det er også det niveau, der kræves for at begynde at overveje elektriske fly og andre anvendelser, som hidtil har været umulige at elektrificere.

Alternative batterikemi

Der findes mange mulige alternativer til lithium‑ion til fremstilling af et batteri. Men kun få batterikemier vil have den rette kombination af letvægt, høj densitet og sikkerhed til at være egnet til mobilapplikationer.

På længere sigt kan nogle af disse alternative batterier endda erstatte de dyrere lithium‑batterier, i hvert fald når det gælder det mere prisfølsomme massemarked for biler.

Lithium‑jern(ferrum)‑fosfatbatterier – LFP

LFP‑batterier har i lang tid været uden for mobilitetsapplikationer på grund af for lav energitæthed, typisk 30‑40 % lavere end et klassisk lithium‑ion‑batteri. Den nyeste version af denne kemi når nu densitet på niveau med ældre generationer af lithium‑ion‑batterier, hvilket gør dem levedygtige for lavpris‑køretøjer.

En stor fordel ved LFP er, at de ikke kræver nikkel eller kobolt, som begge er ansvarlige for prisen på klassiske lithium‑ion‑batterier. I modsætning hertil er jern og fosfat rigelige og billige. LFP har også større sandsynlighed for at holde længere, hvilket yderligere reducerer den samlede levetidsomkostning for batterisystemet.

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

Alligevel negligerer den ikke LFP‑markedet efter afsløringen i august 2023 af et 700‑kilometer LFP‑batteri, der kan genoplade 400 km rækkevidde på kun 10 minutter.

Natrium‑ion

Udover kobolt og nikkel er lithium den anden dyrebare ressource i lithium‑ion. I modsætning hertil er natrium ekstremt rigeligt og billigt og langt mindre sandsynligt at løbe tør regelmæssigt som lithium.

Den førende kinesiske bilproducent, BYD, har annonceret sin intention om at bruge natrium‑ion‑batterier til sine nye lavpris‑modeller Dolphin og Seagull, hvor Seagull måske kan koste så lidt som $10.000 (desværre kun i Kina).

Dette fulgte med annonceringen af et høj‑densitets natrium‑ion‑batteri fra CATL i 2021. I november 2023 har den europæiske Northvolt annonceret et gennembrud inden for natrium‑ion, der opnår den samme energitæthed på 160 watt‑timer per kilogram som CATL.

Selvom den er lidt mindre energitæt end LFP og meget mindre end lithium‑ion, kan natrium‑ion vinde massemarkedet takket være en MEGET billigere pris, potentielt en tredjedel af prisen på nuværende batterier, der bruger nikkel.

Andre kemier

Selvom det ville være for langt at gennemgå hver enkelt, er der en del andre potentielle kemier, som en dag kan blive seriøse konkurrenter til batterier brugt i mobilitetsapplikationer. Men disse teknologier er på et tidligere stadium, hvilket gør deres adoption i elbiler usandsynlig på kort sigt.

Glasbatterier

En fascinerende idé, der kun bruger meget rigelige materialer, som indtil videre andre forskere har haft svært ved at reproducere i deres egne laboratorier. Men da denne idé støttes af Mr. Goodenough, opfinderen af lithium‑ion‑batteriet, bør den ikke afvises (desværre gik Mr. Goodenough bort i sommeren 2023).

Grafenbatterier

Grafen, et enkelt lag af carbonatomer, er ekstremt ledende. Firmaet Graphene Manufacturing Group (GMG.V) arbejder for grafen/aluminium‑batterier, som kan have en højere densitet end lithium‑ion, mens de lader 70 gange hurtigere og holder 3‑gange længere. Firmaet samarbejder med minedjætten (og grafitminer) Rio Tinto (RIO ) om at starte produktion i stor skala i 2025.

Manganhydrogenbatterier

Disse batterier ville bruge magnesium i stedet for lithium. Denne type batteri er blevet beskrevet som “quasi fast‑state” og kan håndtere meget bedre temperaturer ned til -22 °C (-7 °F).

Lithium‑svovlbatterier

Disse batterier ville bruge lithium og svovl i stedet for dyrt kobolt og nikkel. Selv på dette tidlige stadium viser de en bemærkelsesværdig høj energitæthed. De er dog plaget af holdbarhedsproblemer og skal blive meget mere holdbare for at være et godt alternativ til eksisterende kemier.

Kilde: Vertex Holdings

Natrium‑svovlbatterier

Disse batterier har indtil videre været begrænset til anvendelser, hvor batteriet holdes ved høje temperaturer (300 °C). Men nye elektrolytter, der forhindrer svovldissolution, kan fjerne dette krav. Således kan det blive en ny tilgang til at finde kraftfulde og billige batterier.

Aluminium‑ion‑batterier

Denne teknologi erstatter lithium‑anoden med en aluminium‑anode. Ved at bruge en polymer erstatning for grafit, kan disse batterier opnå høj lagringskapacitet.

Aluminium‑luft

Disse “batterier” fungerer ved at forbruge aluminium som brændstof, hvilket giver den elbil, der bruger dem, en længere rækkevidde end en benzinbil (1.600 km pr. tank), med en langt højere energitæthed end lithium‑ion (1.350 W/kg). Dette gør dem også til en potentiel energikilde til elektriske fly.

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

I øjeblikket ser den største begrænsning for udviklingen af denne teknologi ud til at være, at den ikke modtager offentlig støtte, da den hverken er et ægte batteri, en brændselscelle eller hydrogenbaseret, hvilket gør den uegnet til støtte fra eksisterende grønne politikker.