Energi

Ultra-holdbare batterier: Hvorfor næste generations teknologi vil holde i årtier, ikke kun år

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.

Batterier lavet til at holde

Efterhånden som verden elektrificeres og skifter til vedvarende energi, vokser behovet for mere energilagring. Dette skyldes blandt andet overgangen til elbiler, men også den intermitterende karakter af vedvarende produktion.

Dette kan delvist kompenseres af andre lavkulstof energikilder, såsom vandkraft eller atomkraft, eller måske geotermisk energi i fremtiden. Alligevel vil fortalere for grøn energi langt foretrække at se billig sol (og vind) som grundlaget for vores energisystemer.

Dette skaber et efterspørgsel efter batterier med grundlæggende andre egenskaber end dem, der kræves til mobilitet.

Elbiler har brug for meget energitætte batterier, der er lette nok i vægt og små nok i volumen til at kunne indpasses i bilens ramme. Holdbarhed er en bekymring, men så længe batteriet kan fungere i 10–15 år, er det sandsynligvis i overensstemmelse med holdbarheden af resten af bilens komponenter.

I modsætning hertil er energilagringsbatterier langt mindre begrænset af vægt eller volumen. De er dog klart begrænset af omkostninger, da de i praksis udgør en ekstra udgift i produktionen af grøn energi og elnettet.

En måde at reducere omkostningerne ved energilagring er at bruge et billigere materiale end lithium til at bygge batteriet. Mange alternativer overvejes, som vi tidligere diskuterede i “Fremtiden for energilagring – Utility-Scale Batteriteknologi”: batterier, der bruger teknologier som natrium-ion, jern-luft, zink, havsalt, polymerer, natrium-svovl eller endda smeltede metaller.

Et andet centralt element i at reducere levetidsomkostningerne for et batterisystem er at få det til at holde i flere årtier. Ved at afskrive investeringen over mange år sænkes kapitalomkostningen for batteriet betydeligt på årlig basis. Og dette er noget, elselskaber sandsynligvis vil føle sig mere trygge ved, da de er vant til at afskrive nye kraftværker over 30–50 år.

Hvorfor fejler batterier?

Død af dendritter

Før vi bygger et batteri, der holder næsten for evigt, skal vi se på, hvorfor de fleste batterier mister ladning over tid eller holder op med at fungere.

En vigtig faktor, især for lithium-ion batterier, er væksten af dendritter. Denne stalaktitlignende struktur opstår fra forkert ophobning af metal i batteriet og kan over tid bryde barrieren mellem katode og anode, hvilket potentielt kan føre til en kortslutning og en katastrofal brand.

Kilde: Nobel Prize

På grund af denne brandfare er dendritter et særligt alvorligt problem for elselskaber, da en brand i én battericelle hurtigt kan sprede sig til en hel milliardpark af batterier i nærheden. Ideelt set bør en batteriteknologi, der er designet til at holde, have næsten ingen risiko for at danne disse dendritter.

Det bør også bemærkes, at selvom dendritter primært diskuteres i forbindelse med lithium-ion batterier, er dette et almindeligt problem for de fleste batterier, der bruger metalliske anoder og/eller katoder.

Ladetab

En anden måde, batterier kan fejle på, er ved langsomt at miste deres kapacitet til at lagre energi. Dette skyldes typisk, at noget af metallet i elektroden langsomt ophober sig i en form, der ikke kan omdannes tilbage til noget brugbart.

Kilde: EnergSoft

Andre årsager kan være små revner, der dannes fra mekanisk og termisk stress, tab af strukturel integritet, ophobning af uønskede aflejringer osv.

Kilde: EnergSoft

Jo mere en batteriteknologi er modtagelig for denne langsomme nedbrydning, desto mere falder den samlede ladning, hvilket gradvist gør batteriet ubrugeligt. Derudover har nedbrudte batterier en tendens til at holde på ladningen dårligere og spilde mere af den lagrede energi, hvilket gør dem endnu mindre rentable.

Den ideelle batteriteknologi ville derfor ikke være modtagelig for langsom nedbrydning af dens bestanddele, eller kunne regelmæssigt regenereres til en optimal tilstand uden at skulle genanvende hele systemet.

Hvis du vil lære detaljerne om, hvordan batterier nedbrydes, kan du også konsultere denne 22‑minutters video:

Cykellivscyklus

Batteriholdbarhed kan være svært at måle. For eksempel måles de fleste elbilbatterisystemer typisk pr. mil, eller hvor langt elbiler kan køre, før de har brug for en ny batteripakke.

En anden måde at måle det på er ved antallet af opladnings‑/afladningscyklusser, der kan gennemføres, før batteriet mister en væsentlig del af sin samlede ladning. For energilagring kan man forvente en regelmæssig cyklus på 1–3 gange om dagen.

Endelig er, hvor længe en ladning kan holdes, også et vigtigt spørgsmål, da de fleste batterier mister en smule af deres ladning hver dag. Samtidig kan vinden holde op med at blæse i uger ad gangen, og vinterdage er de med mindst sol og højest energiforbrug, især i kolde klimaer. Så i teorien ville et batteri, der kan levere strøm uden stort tab i uger eller endda måneder, være den ideelle løsning.

Temperaturtolerance

De fleste batteriteknologier er mere end blot lidt intolerante over for kulde, især frysetemperaturer. Da energilagring i stor skala sandsynligvis vil foregå udendørs i nærheden af et kraftværk, kan dette være et alvorligt problem i kolde klimaer om vinteren. Hvis en væsentlig del af den lagrede energi ender med at blive brugt på at holde batterierne varme, kan det alvorligt påvirke økonomien ved at drive disse batterier.

Ultra-holdbare batteriteknologier

Honningkagebatterier

Selvom alternative kemier i sidste ende vil blive vindere i at drive et fuldt vedvarende energinet, ser batteriproducenter også på måder at gøre deres nuværende teknologi mere holdbar på.

Et sådant eksempel er CATL’s (300750.SZ) honningkagebatterier. Batterigiganten CATL, som producerer mere end halvdelen af verdens batterier, satser stort på denne teknologi. Den ser ud til delvist at være baseret på en idé, der allerede blev foreslået i et videnskabeligt papir fra 2020 med titlen “Udvideligt lithium-ion batteri baseret på ny mikro-honningkage struktur”.

Kilde: Phys.org

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

Denne ændring i batteriets fysiske konfiguration holder materialet på den rette plads, hvilket undgår revner og sammentrækning under opladning.

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.

Samlet set ser honningkagebatteristrukturen ud til at undgå revner og dannelse af dendritter, hvilket skaber et ultra-holdbart batteri, mens den stadig bygger på de velkendte principper for lithium-ion og LFP (lithium-jernfosfat) batteriteknologier.

Det er sandsynligvis kernen i CATL’s nye produkt, den TENER containerized LFP battery system, som har demonstreret nul nedbrydning i kapacitet efter fulde 5 år i drift.

TENER begynder nu at blive kommercialiseret af CATL til elselskaber.

Kilde: Sustainability Environment

Faststoffbatterier

Udover ændringer i kemien kan selve måden, batterier bygges på, ændres for at skabe mere tætte og mere holdbare batterier.

Dette er idéen bag faststoffbatterier, som erstatter den flydende elektrolyt i de fleste batteridesign med et fast metal lag. Dette skulle i teorien bygge de mest energirige batterier, selvom de måske ikke er de billigste.

Indtil for nylig har dette været en vanskelig idé at implementere i stor skala, da det kræver perfekt kontakt mellem metal lagene. Mekanisk bevægelse under opladning/afladning fører ofte også til dannelse af revner.

Dog seneste udvikling fra mange virksomheder som QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) eller Hyundai (HYMTF) med batterifabrikker og masseproduktion for 2028-2030 indikerer, at teknologien nu bliver moden.

I teorien kunne veludviklede faststoffbatterier gradvist erstatte alle lithium-ion, LFP og endda natrium-ion batterier i elbiler.

Deres endelige pris er endnu ukendt, når de produceres i stor skala, for at afgøre om de vil være billige nok til netenergilagringsapplikationer. Måske kan specielle koncepter som anodefri natrium faststoffbatterier løse denne opgave, da de ville undgå brug af dyrt lithiummetal.

(Du kan lære mere om investeringsmuligheder i denne teknologi i “5 bedste faststoffbatteri aktier at holde øje med eller købe”).

Zinkbatterier

Da zink er et meget billigt og rigeligt metal, har det i lang tid været brugt i engangsbatterier. Genanvendelige batterier kan også bygges med zink, især zinkbaserede vandige batterier (ZAB’er).

Det er dog et design, der har været plaget af dendritdannelse, parasitisk hydrogenudviklingsreaktion (HER) og overfladekorrosionspassivering, hvilket kraftigt reducerer dets anvendelighed.

Dette er ved at ændre sig takket være ny forskning udført ved Teknisk Universitet i München1. De brugte en porøs organisk polymer kaldet TpBD-2F. Dette materiale danner en stabil, ultratynd og højt ordnet film på zinkanoden, hvilket tillader zinkioner at flyde effektivt gennem nanokanaler, mens vand holdes væk fra anoden.

De samlede fulde celler (Zn-ion kondensatorer) leverer en ultralang cykluseliv på over 100.000 cyklusser, en forbløffende holdbarhed, takket være næsten fuldstændig undertrykkelse af dendritdannelse samt ingen HER og korrosion.

Ud over zinkbatterier mener forskerne, at dette koncept kan udvides til andre metalanoder: lithium, natrium, kalium, aluminium osv.

TAQ-Polymer og natrium-ion batterier

Polymer (kulstof) og natrium i stedet for lithium kan være en god måde at reducere prisen på råmaterialerne i et batteri. Dette er hvad forskerne ved MIT kombinerede i deres TAQ-natrium-ion batteri.

I de indledende tests klarede det 2.000 opladnings‑/afladningscyklusser uden synlig nedbrydning, samtidig med at det leverede højere energitæthed end lithiumbatterier og ultra‑hurtig 6‑minutters opladning.

Dette viser, at den batterikemi, der sandsynligvis vil vinde løbet om ultra-holdbare batterier, i sidste ende ikke blot er mere af det samme, men en radikal omstilling af, hvilke materialer der kan bruges i et batteri, hvor både billige og rigelige elementer som kulstof og natrium er gode kandidater.

Smeltede metalbatterier

De fleste batterikoncept er baseret på overførsel af elektroner mellem én oxidationsstatus af faste metalatomer til en anden oxidationsstatus. I disse skal anoder og katoder være perfekt adskilt for at undgå kortslutninger.

Jo mere metal og jo færre flydende dele som elektrolytter, desto bedre, som i faststoffbatterier, eller sådan går retningen for størstedelen af batteribranchen.

Ved radikalt at udvide, hvad der kan betragtes som et batteri, gør smeltede metalbatterier det modsatte: alle tre hovedkomponenter, anoden, katoden og elektrolytten, er flydende.

De adskiller sig spontant fra hinanden på grund af forskellige flydende densiteter. Det faktum, at der ingen faste komponenter er, bør i teorien dramatisk øge batteriets levetid, samt gøre det i stand til at oplade og aflade meget hurtigt og være fuldt genanvendeligt.

Kilde: Ambri

Det Bill Gates-støttede firma Ambri, som bruger et calcium‑ og antimonbatteri, har været en fortaler for denne teknologi. Det planlagde at producere 200.000 battericeller om året i sin nye fabrik inden 2024.

Dette skete dog ikke, da virksomheden løb tør for penge, før den kunne opskalere produktionen. Den har siden kommet ud af chapter 11 konkurs i sommeren 2024, og vil stadig blive ledet af medstifter Dr. David Bradwell som administrerende direktør.

Vi ser frem til at tilbyde vores unikke, sikre og lavpris kommercielle produkt til vores kunder i stor skala, for at imødekomme den stærke kundeadfærd for vores batterisystemer og for en renere energifremtid.

Når vi påbegynder denne nye start med en stærkere balance og ny kapital, fokuserer vi på at positionere Ambri til at spille en førende rolle på markedet for langvarig energilagring til fordel for vores interessenter.

David Bradwell

Så Ambri er endnu ikke død, og det er ikke det eneste firma, der arbejder med smeltede batterier. Den japanske NGK isolator (NGKIF) arbejder også på et natrium-svovl smeltet salt batteri, og firmaet Horien arbejder på et natrium-nikkel-klorid batteri.

Begge virksomheders produkter er allerede kommercialiseret og vurderet til en levetid på over 20 år.

Varme‑/termiske batterier

Ved at udvide definitionen af batteri fra elektrisk lagring til blot enhver energilagring, lagrer varmbatterier grøn energi i form af varme i stedet for elektrokemisk energi.

  • Varmeopbevaring over flere måneder er fuldt ud muligt med tilstrækkelig isolering, mens kemiske batterier altid vil lække mere energi på daglig basis.
  • Det meste af materialet, der holder på varmen, kan cyklere hundrede tusinder af gange uden væsentlig nedbrydning.
  • De anvendte materialer er billige og rigelige, som for eksempel sand eller ren kul.

Kombinationen af billige materialer, næsten nul nedbrydning over årtier og energilagring over flere måneder gør varmbatterier til en god kandidat.

Det er primært private virksomheder, der udforsker denne idé, især det finske firma Polar Night Energy, som lagrer overskudsenergi fra sommeren til vinteren, kun ved brug af lavkvalitets sand og lidt metal til rammen og rørene.

Et lignende varmbatteri forestilles af Rondo Energy, med keramiske mursten, der kan varmes op til så meget som 1500 °C, og bruge varmen til industrielle processer som cement- eller stålproduktion.

Kilde: Rondo Energy

Samlet set kan dette være en fremragende mulighed for at dekarbonisere sektorer, der stadig forbruger mange fossile brændstoffer, såsom tung industri og vinteropvarmning af lejligheder. Især da designet kan hjælpe med at lagre energi fra den solrige sommer til den skyede vinter.

Den lagrede varme kan endda omdannes tilbage til strøm, takket være termofotovoltaiske celler, med forskerne ved University of Michigan har udviklet celler med en rekord på 44 % effektivitet2.

Kilde: Design Boom

Konklusion

Batterisystemer til elnet og hjem vil sandsynligvis være mindre afhængige af den nuværende lithium-ion teknologi og mere af billigere og mere holdbare teknologier, selvom de er mindre energitætte. På nuværende tidspunkt er de, der er klar til massekommercialisering, avancerede honningkage‑struktur LFP‑ og natrium‑ion batterier.

På længere sigt vil mere eksotiske løsninger sandsynligvis blive tilføjet til blandingen, såsom smeltede metal, zink, polymer eller varmbatterier. I sidste ende vil holdbarhed, materialernes omkostninger og produktionsomkostninger sandsynligvis være den afgørende faktor for, hvilke der viser sig at være den “endelige form” for ultra‑holdbar energilagring.

Det er, hvis faststoffbatterier ikke viser sig at være billige nok til at overtage hele energilagringsmarkedet, hvilket er en reel mulighed.

Ultra-holdbart batterifirma

QuantumScape

QS Prisdiagram

Siden grundlæggelsen i 2010 har det californiske QuantumScape været en fremtrædende startup inden for faststoffbatterier, bemærkelsesværdig for sin tidlige indtræden i feltet og sin uafhængighed fra større batteriproducenter, der også forfølger faststoffteknologi, som CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

En unik egenskab ved QuantumScape batterier, som på det tidspunkt blev betragtet som revolutionerende, er, at de bruger et anodefrit design. Det muliggør ~15‑minutters hurtig opladning (10‑80 % ved 45 °C) og separatoren er ikke‑brandfarlig og ikke‑brændbar.

Dette placerer også QuantumScape batterier i en klasse for sig, når det gælder energitæthed og opladningshastighed, og de overgår markant ledere som Tesla (TSLA ) (både deres eget design og CATL‑lavede).

Dog er disse bemærkelsesværdige præstationer regelmæssigt blevet hæmmet af vanskeligheder med at skalere produktionen. Det har også tvunget virksomheden til at brænde igennem sin likviditet, hvilket har ført til udvanding af tidligere investorer og fald i aktiekurser.

Dette ser ud til at ændre sig siden 2024-aftalen med PowerCo, Volkswagen Groups batteridivision, for en licensaftale om design og masseproduktion af QuantumScape batterier af PowerCo.

Under den ikke‑eksklusive licensaftale kan PowerCo producere op til 40 gigawatt‑timer om året af elbilbatterier, med mulighed for at udvide til 80 GWh om året.

Den pludselige opskalering af QuantumScape produktion ser ud til at være forbundet med Cobra, virksomhedens næste‑generations faststoffbatteri separatorudstyr, et gennembrud inden for keramisk fremstilling.

Samlet set bør Cobra integreres i produktionen i 2025, og den første færdige elbil, der bruger QuantumScape batterier, bør produceres i 2026.

Dette kan være et vendepunkt for virksomheden, der 16 år efter grundlæggelsen går fra en lovende startup med interessant IP til at generere stigende indtægter fra et partnerskab med en af verdens største bilproducenter.

I mellemtiden bør investorer stadig forvente en vis volatilitet i aktiekursen, men med et lys i enden af produktudviklings‑tunnelen.

Seneste om QuantumScape

Studierreferencer:

1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 oktober 2024

2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17. juli 2024.

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'.