Anodefrie natriumfaststoffbatterier kan redusere avhengigheten av litiumtriangelet

Mange måter å lage et batteri på

Batteriprodusenter utvikler nye materialer og konstruksjoner for elbiler og stasjonær energilagring. Kostnad, energitetthet, levetid og sikkerhet må balanseres.

Litium-ion dominerer mange markeder, men alternativer undersøkes for å redusere materialbehov, kostnader og enkelte risikoer. Egenskapene varierer mellom kjemier.

Kilde: Research Gate

Natrium-ion bruker natrium i stedet for litium. Råstoffet er vanlig, mens energitettheten ofte er lavere enn i litiumbaserte celler.

Faststoffbatterier bruker en fast elektrolytt i stedet for en flytende. De er ikke uten elektrolytt. Mulige fordeler i tetthet og sikkerhet må dokumenteres for hvert system; raskere lading er ikke automatisk.

Anodefrie batterier bygges uten et eget lager av anodens aktive materiale ved montering. Under lading avsettes metall på strømkollektoren og danner den aktive negative elektroden.

Forskere har kombinert disse tilnærmingene i en anodefri natriumcelle med fast elektrolytt.

Et anodefritt natriumfaststoffbatteri

Arbeidet ble publisert i Nature Energy med tittelen «Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery». Forskere fra University of California San Diego og University of Chicago utviklet et laboratoriesystem som kombinerer natrium, fast elektrolytt og en anodefri oppbygning ved montering.

Natriumbatteri

Natrium er langt vanligere enn litium i jordskorpen og finnes i store mengder i sjøvann. Dette kan gi et gunstig råstoffgrunnlag, men tilgjengelig grunnstoff er ikke det samme som ferdig batterimateriale. Litiumbaserte verdikjeder har blant annet følgende utfordringer:

• Prisendringer kan påvirke kostnaden ved elektrifisering.
• Utvinningsmetoder kan ha betydelige miljøvirkninger.
• Geografisk konsentrasjon av utvinning og raffinering kan skape forsyningsrisiko.

Natriums utbredelse kan redusere enkelte råstoffrisikoer, men garanterer ikke stabile priser på alle cellekomponenter. Lavere energitetthet kan være akseptabelt i stasjonær lagring og enkelte kjøretøy.

Anodefri oppbygning

I en oppladbar celle flyttes ioner mellom elektrodene under lading og utlading. I mange vanlige celler lagres de i et vertsmateriale i den negative elektroden.

I den anodefrie konstruksjonen avsettes alkalimetall direkte på strømkollektoren under lading og fjernes igjen ved utlading.

Dette kan redusere inaktiv masse og øke energitettheten. Spenning og kostnad bestemmes også av katode, elektrolytt og andre materialer.

Kilde: University Of Chicago

Utfordringene omfatter jevn metallavsetning, god kontakt og begrensning av irreversible reaksjoner som reduserer mengden tilgjengelig natrium.

Faststoffbatterier

Faststoffbatterier er en lovende retning, særlig der høy energitetthet er viktig. De er ikke nødvendigvis den endelige løsningen for alle bruksområder.

En fast elektrolytt kan muliggjøre andre elektrodevalg og redusere enkelte risikoer ved væske. Hurtiglading og vektreduksjon avhenger av hele konstruksjonen.

Kontakt mellom faste materialer og volumendringer under sykling er sentrale utfordringer.

Metallfilamenter kan også vokse gjennom enkelte faste elektrolytter og gi kortslutning. Faststoff er derfor ikke en garanti mot dendritter eller brannrisiko.

Anodefritt natrium med fast elektrolytt

Forskerne undersøkte hvordan en strømkollektor kan bevare god kontakt under gjentatt avsetning og fjerning av natrium.

De brukte aluminiumspulver som strømkollektor. Pulveret kan omfordeles under trykk og tilpasse kontaktflaten. Det er fortsatt et fast materiale, ikke en flytende elektrolytt.

Kilde: University Of Chicago

Mange fordeler

Aluminiumspulveret er strømkollektoren, ikke elektrolytten. Det bidrar til en jevnere og mer stabil kontakt, men eliminerer ikke automatisk alle dendrittproblemer i faststoffbatterier.

Bedre kontakt kan redusere tap av elektrisk tilgjengelig natrium og dermed begrense kapasitetstap.

Arbeidet undersøker konstruksjoner med mulig energitetthet i området 200–400 Wh/kg. Dette er avhengig av materialmengder og celleforutsetninger, ikke en ferdig kommersiell pakke med garantert ytelse.

Kilde: University Of Chicago

Resultatet peker mot et mulig kompromiss mellom rimelige materialer og energitetthet. Det kreves mer utvikling og testing før levetid, kostnad og sikkerhet i store produkter er kjent.

Kraften i kombinasjonen

Natrium-, anodefrie og faststoffbatterier har ulik teknologisk modenhet. Enkelte natriumprodukter er på markedet, mens denne kombinasjonen fortsatt er forskning.

Vi har også utforsket andre teknologier i artiklene «Fremtidens energilagring – batterier i nettskala» og «Fremtidens mobilitet – batteriteknologi”.

Forskerne kombinerer nå prinsipper fra flere retninger. Et laboratorieresultat gjør likevel ikke alle delene kommersielt bevist.

Kombinasjonen kan redusere noen av svakhetene ved hver enkelt tilnærming.

I dette forsøket bidrar pulverkollektoren til bedre kontakt ved natriumavsetning og -fjerning. Det betyr ikke at alle problemer med dendritter eller avsetning er løst generelt.

Energitettheten bestemmes av hele cellen, ikke aluminiumspulveret alene.

Kostnaden bestemmes av materialer, prosesser, produksjonsutbytte og skala; natrium kan gi et rimeligere råstoffgrunnlag.

Natriumkjemier kan passe noen mobilitetsbehov, selv om lavere tetthet kan begrense andre.

Flere konstruksjonsvalg kan derfor kombineres for å forbedre ytelsen, men fordeler og avveininger må måles i den konkrete cellen.

Selskaper som utvikler natriumbatterier

1. CATL

CATL er en av verdens største leverandører av elbilbatterier. Den globale markedsandelen var klart under halvparten i 2024; selskapet produserer ikke dokumentert mer enn halvparten av alle verdens batterier. Det utvikler flere kjemier, blant annet:

• Batterier for stasjonær lagring med oppgitte levetider på opptil 12 000 sykluser under bestemte vilkår og langsiktige mål om mer.
• Shenxing LFP, altså litium-jern-fosfat, med oppgitt rekkevidde rundt 700 km og tilførsel av 400 km på ti minutter under angitte forhold.
• Batterier av typen condensed med oppgitt energitetthet opptil 500 Wh/kg på cellenivå for blant annet forskning på elektrisk luftfart.
• Natrium-ion med rundt 160 Wh/kg på cellenivå i første generasjon og et mål om 200 Wh/kg i videre utvikling.

Kilde: CATL

CATL utvikler også TENER for stasjonær energilagring. Ved presentasjonen i Beijing i 2024 beskrev selskapet det som et masseproduserbart system uten degradering i de første fem årene under de oppgitte bruksbetingelsene. Påstanden er fra leverandøren og er ikke i seg selv dokumentasjon på fem års gjennomført feltbruk.

TENER ble presentert med 6,25 MWh kapasitet i en 20-fots container. Selskapet knytter stabiliteten til grenseflate- og elektrolyttteknologi. Kapasitetsbevaring er likevel ikke det samme som fravær av all sikkerhetsrisiko.

CATL har også kunngjort milliardinvesteringer i batterigjenvinning i Kina. Det oppgir materialgjenvinning på opptil 99,6% for nikkel, kobolt og mangan og 91% for litium i sine prosesser. Dette er ikke andelen av alle verdens brukte batterier som samles inn.

CATL leverer eller samarbeider med blant andre Tesla (TSLA ), NIO, Ford og Stellantis. Skala og forskning gir muligheter, men garanterer ikke lederskap i hver ny kjemi.

2. BYD

BYD er en stor produsent av batterielektriske biler og ladbare hybrider. Sammenligning med Tesla må skille disse kategoriene.

Selskapet startet som batterileverandør og har senere utvidet kjøretøyproduksjon og eksport. Salgsrangeringer varierer mellom land, tidsperioder og kjøretøytyper.

BYD har bidratt til Kinas bileksport og utvikler produksjon utenlands, blant annet med et fabrikkprosjekt i Ungarn.

Seagull-modellen som selges, bruker LFP Blade-batterier, ikke automatisk natriumbatterier. Priser rundt 10 000–12 000 dollar gjelder bestemte modeller og perioder i Kina, ikke nødvendigvis eksportmarkedene.

Kilde: User3204 – eget verk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

BYD er også en stor LFP-produsent. De siterte andelene på 41,1% mot CATLs 33,9% gjelder en bestemt kinesisk markedskategori og periode, ikke hele det globale batterimarkedet.

Toll og andre handelstiltak i Europa og USA kan hemme ekspansjonen.

BYD vokser også i andre regioner, men mange land har egen bilindustri, monteringsvirksomhet eller beskyttende politikk. Ingen region er ensartet.

Et stort folketall er ikke et tilsvarende antall sikre kunder. Kjøpekraft, konkurranse, infrastruktur og politikk påvirker markedet.

Lokal produksjon kan redusere noen handelshindre, men garanterer ikke prisfordeler eller markedsadgang. Planlagte fabrikker må skilles fra faktisk produksjon.