Designe et bedre batteri – Ut med kobolt og inn med…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently developed a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

Viktigheten av batterier

Med fremveksten av elbiler (EV) – i stor grad takket være amerikanske Tesla og kinesiske BYD og CATL – har batteriteknologi blitt viktigere enn noen gang, da den er relevant ikke bare for elektronikk, men også for mobilitet. Og snart også for strømnettet, for å balansere den uregelmessige produksjonen fra fornybare energikilder som vind og sol.

Globale EV-salg – Kilde: IEA

Den dag i dag er den dominerende kjemien for batterier litium‑ion‑teknologi. Dette skyldes at disse batteriene er noen av de mest energitetthete tilgjengelige når de måles i kW/kg. Denne målingen er langt den viktigste i mobilitetsapplikasjoner, da hvert ekstra kilo batteri betyr behov for mer batteri og/eller kortere rekkevidde.

Så, siden elbiler har vist seg å være den sannsynlige nøkkelteknologien for fremtidens biler (og kanskje også lastebiler og til og med fly), har betydelige anstrengelser blitt gjort for å forbedre batteriteknologi.

Gir opp litium‑ion?

Mens den er svært tetthetsrik, er tradisjonell litium‑ion‑teknologi ikke uten feil. Det er en liste med problemer som må løses:

• Tettheten er fortsatt relativt lav sammenlignet med flytende drivstoff som bensin og diesel, noe som forårsaker rekkeviddeangst.
• Lading kan være noe treg, noe som er et problem for mange sjåfører og kommersielle anvendelser.
• Batterier er dyre, hovedsakelig på grunn av behovet for kostbare mineraler.
  • Dette førte til at elbiler i starten var mer et luksusprodukt enn et vanlig forbrukerprodukt.
  • Utvinning av disse mineralene er sjelden miljøvennlig og går ofte hånd i hånd med forferdelige arbeidsforhold og utnyttelse av fattige arbeidere eller barn i gruver, spesielt i tilfelle av kobolt i Kongo.

Som et resultat har mange alternative kjemier blitt vurdert. Dette inkluderer, men er ikke begrenset til:

• LFP (Lithium-Ferrum/iron-Phosphate)
• natrium‑ion
• fast‑stoff‑batterier
• litium‑svovel
• grafen
• glassbatterier

Oksidasjonen av aluminium har til og med blitt diskutert som et alternativ til batterier helt og holdent. Imidlertid har alle disse alternativene sine begrensninger. Dette kan inkludere kortere levetid, produksjonsvanskeligheter, osv.

(Vi diskuterte i detalj fordelene og begrensningene ved hver av disse teknologiene i vår artikkel “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi”).

De mest lovende, som fast‑stoff‑batterier, er fortsatt på et eksperimentelt stadium, og de som er klare for kommersialisering, som LFP og natrium‑ion, lider av lavere energitetthet enn litium‑ion.

Det er sannsynligvis et marked for disse batteriene med lavere tetthet, da de også er mye billigere å produsere. Det kinesiske selskapet CATL (300750.SZ), som produserer mer enn halvparten av planetens batterier, er blant lederne på dette området. Vi diskuterte de ledende batteriprodusentene i vår artikkel “Topp 10 batteriaksjer å investere i”.

Likevel, i siste ende ville den ideelle elbilen ha et billig OG kraftig batteri. Denne kombinasjonen vil sannsynligvis være nødvendig for fullt å erstatte forbrenningsmotoren, spesielt for kommersielle anvendelser.

Problemet med litium‑ion‑katoden

De fleste begrensningene ved litium‑ion kommer fra de kjemiske og fysiske egenskapene til batteriets katodedel. Det er katoden som vanligvis krever kobolt, og selv i potensielle alternativer uten kobolt, er den vanligvis sterkt avhengig av andre kostbare metaller som nikkel og magnesium.

(Metallene som kreves for overgangen til elbiler og fornybar energi ble diskutert nærmere i vår artikkel “Topp 10 batterimetaller & fornybar energi gruveaksjer”)

Disse metallene må utvinnes, forårsaker forurensning, og arbeidsforholdene er ofte forferdelige. De er også giftige, noe som gjør resirkulering av batterier til en mer komplisert oppgave.

Kilde: Visual Capitalist

Forskere har sett på karbonbaserte alternativer, eller de såkalte organiske katodene. Foreløpig har dette vært ganske mislykket, da organiske katoder enten har vært for lav i energitetthet eller ikke holdbare nok til å brukes i konteksten av hyppige lade‑utladningssykluser i elbiler.

Dette kan ha endret seg, takket være den nevnte oppdagelsen av MIT‑forskerne.

En ny type organisk katode

Prof. Mircea Dincă, som arbeider ved W.M. Keck Professor of Energy ved MIT, har nylig utforsket nye organiske forbindelser som tidligere ikke var testet for katodeapplikasjoner. I stedet for de tidligere utforskede organosulfid- og karbonylforbindelsene, så han på en forbindelse kalt TAQ (bis-tetraaminobenzoquinon). Teamet hans hadde tidligere demonstrert potensialet til dette kjemikaliet som et superkondensatormateriale.

TAQ har stort potensial for bruk i batterier, da den danner lagdelte fast‑stoff‑strukturer som potensielt kan konkurrere med tradisjonell koboltbasert katodeytelse.

I seg selv ville ikke dette vært nok. MIT‑forskerne fant også hvordan de kunne forbedre vedheftingen av TAQ til katodens rustfrie stål‑strømsamler, noe som forbedrer stabiliteten til den nye bevis‑på‑konsept‑katode‑prototypen.

Ved å tilsette cellulose‑ og gummiinneholdende materialer til TAQ, oppnådde de trygt mer enn 2 000 lade‑utladningssykluser. Energitettheten var også høyere enn med koboltbaserte katoder, og ladingen tok mindre enn 6 minutter.

Hva blir neste?

Dette er foreløpig en laboratorieprototype, og ytterligere arbeid vil være nødvendig for å skalere den opp til full størrelse for en elbilbatteripakke – samt enda mer innsats for å finne ut hvordan man kan lage en oppskalert produksjonsprosess for denne nye batterikjemien.

Likevel er dette blant de første gangene en organisk katode har overgått koboltbaserte litium‑ion‑design på alle viktige måleparametere: energitetthet, materialkostnad og ladingshastighet.

Dette viser at litium‑ion‑kjemi kan forbli den dominerende batterikjemien, så lenge den kan løse sin avhengighet av metaller som forårsaker etiske og miljømessige problemer.

En annen ting forskningen til Prof. Dincă viser, er at organiske katoder har stort potensial, med potensielt tusenvis av andre organiske forbindelser som ennå ikke er testet for denne bruken. Så selv om TAQ viser seg utilstrekkelig til å erstatte kobolt og nikkel, kan andre kjemikalier lik TAQ oppnå det.

Litium‑ion‑design drar også nytte av en enorm eksisterende forsyningskjede og produksjonsbase. Og det ville vært mye enklere bare å endre katoden enn å bygge batterifabrikker fra bunnen av for å tilpasse nye kjemier. Så å forbedre litium‑ion kan gi mye mening fra et forretningsperspektiv.

Det er også verdt å merke seg at organiske katoder har blitt diskutert for andre typer batterier, for eksempel for aluminium‑ion, natrium/kalsium‑ion, sink, eller kalsium‑baserte dual‑ion batterier. Så det er mulig at oppdagelsen av TAQ‑egenskapene kan anvendes på andre batterityper enn litium‑ion.

Uansett vil organiske komponenter i batterier gjøre dem enklere å resirkulere, et tema (en investeringsmulighet) vi utforsket i dybden i vår artikkel “Å takle Li‑ion‑dilemmaet: Avhending av utdaterte battericeller i en stadig mer elektrifisert verden“.

Selskaper med organiske katoder

Volkswagen AG

Forskningen til Prof. Mircea Dincă ble finansiert av Automobili Lamborghini S.p.A., et datterselskap av Audi, eid av Volkswagen‑gruppen. En patentsøknad for den organiske katodeteknologien er allerede innlevert.

Den tyske bilprodusenten er verdens nest største bilprodusent, kun etter Toyota. Selskapet lå en periode etter i EV‑teknologi, men har jobbet hardt for å ta igjen, særlig med ID‑bilserien og flere hybridmodeller.

Kilde: Volkswagen

Innen 2033, Volkswagen gruppen planlegger å kun produsere elbiler i Europa.

Samarbeidet med MIT‑forskerne er bare ett av mange, med andre partnerskap om elbiler inkludert:

• Et partnerskap med Renault for en 20 000‑euro elbil.
• En investering på 700 millioner dollar i kinesiske Xpeng for å øke EV‑salget i Kina.
• Et partnerskap med kinesiske SAIC Motor for å levere EV‑plattformer til Volkswagen.
• Et partnerskap med Jetta Motor for å skaffe EV‑teknologi.
• Et partnerskap på 492 millioner dollar med Magna to revitalize the iconic Scout SUVs as an EV

Med sine ambisiøse planer for elbiler og tilgang til avansert EV‑teknologi fra ledende kinesiske selskaper, er Volkswagen i en god posisjon til å se på MITs patenterte organiske katodeteknologi og arbeide med å implementere den i stor skala i sine fremtidige elbiler.

Andre selskaper med organiske batterier

Selv om de ikke utvikler nye katoder, jobber to oppstartsbedrifter med å bruke organiske forbindelser for å forbedre anodeytelsen, Store Dot og EnergyX.