Nobelpriser

Investering i Nobelprisens prestasjoner: Litium‑ion‑batterier som driver verden

mm
Publisert
Oppdatert
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Opplysning: Securities.io kan motta betaling når du bruker lenker til produkter vi vurderer. Dette påvirker ikke våre redaksjonelle vurderinger. Vi er ikke en registrert investeringsrådgiver; dette er ikke investeringsråd. Les vår affiliateopplysning.

Nobelprisens historie

Nobelprisen er den mest prestisjefylte prisen i den vitenskapelige verden. Den ble opprettet i henhold til Alfred Nobels testamente for å gi en pris “til de som, i løpet av det foregående året, har gitt den største fordelen til menneskeheten” innen fysikk, kjemi, fysiologi eller medisin, litteratur og fred. En sjette pris ble senere opprettet for økonomisk vitenskap av Sveriges sentralbank.

Beslutningen om hvem som skal tilskrives prisen ligger hos flere svenske akademiske institusjoner.

Arv‑bekymringer

Beslutningen om å opprette Nobelprisen kom til Alfred Nobel etter at han leste sin egen nekrolog, etter en feil fra en fransk avis som misforsto nyheten om brorens død. Artikkelen, med tittelen «Dødsfaren er død», kritiserte Nobel for hans oppfinnelse av røykfrie sprengstoff, hvorav dynamitten var den mest kjente.

Oppfinnelsene hans var svært innflytelsesrike i utviklingen av moderne krigføring, og Nobel kjøpte et massivt jern‑ og stålsmeltverk for å gjøre det til en stor våpenprodusent. Som først kjemiker, ingeniør og oppfinner innså Nobel at han ikke ønsket at arven skulle være en mann husket for å ha tjent en formue på krig og andres død.

Nobelprisen

I dag er Nobels formue lagret i et fond som investeres for å generere inntekt til å finansiere Nobelstiftelsen og den gullbelagte grønne gullmedaljen, diplom og pengebeløpet på 11 millioner SEK (rundt 1 million dollar) som tildeles vinnerne.

Kilde: Britannica

Ofte blir Nobelpengepremien delt mellom flere vinnere, spesielt i vitenskapelige felt hvor det er vanlig at 2 eller 3 ledende personer bidrar sammen eller parallelt til en banebrytende oppdagelse.

Gjennom årene har Nobelprisen blitt DEN vitenskapelige prisen, som prøver å balansere mellom teoretiske og svært praktiske oppdagelser. Den har belønnet prestasjoner som la grunnlaget for den moderne verden som radioaktivitet, antibiotika, røntgenstråler eller PCR, samt grunnleggende vitenskap som solens energikilde, elektronladning, atomstruktur eller superfluiditet.

Et batteri som driver alt

I dag virker elektrifisering som en ustoppelig trend, som tar over energisystemene våre og erstatter fossile brensler, fra elbiler til varmepumper. Ingenting av dette ville vært mulig uten fremveksten av batterier som er radikalt kraftigere enn de tidligere designene basert på metall og syre.

Batterier, som et generelt konsept, fungerer ved å lagre elektrisitet og slippe den ut igjen. Mens noen batterier er engangsbruk, er de mest nyttige batteriene oppladbare. I svært lang tid var bly‑syrebatteriet, oppfunnet på midten av 1800‑tallet, den dominerende formen for oppladbart batteri takket være lave kostnader og robusthet.

På sitt enkleste fungerer bly‑syrebatterier ved å overføre svovelioner fra syren til blyatomene når de lades, og reversere reaksjonen når de tømmes.

Dette designet forble det dominerende batteriformatet, men var begrenset av flere problemer:

  • Tung vekt
  • Korrosive materialer.
  • Relativt kort levetid med kun noen hundre til tusen sykluser.
  • Selvutladning over tid.
  • Begrenset energilagring/energitetthet.

Alle disse begrensende faktorene gjorde bly‑syrebatteriet til et godt alternativ for lav‑effekt‑applikasjoner som å drive gnister og radio i en bensinbil. Men alt som krevde mer, fra elektronikk til å erstatte fossilt brensel, ville ikke fungere med denne batteritypen.

Dette endret seg takket være samarbeidet mellom tre ulike forskere, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham og Akira Yoshino. Sammen vant de Nobelprisen i 2019 i kjemi for deres bidrag til å skape litium‑ion‑batteriet.

I dag har litium‑ion‑batterier gått fra å drive datamaskiner, smarttelefoner og backup‑powerbanks til elbiler, strømnett og kanskje snart også fly.

Lithiums unike elektriske egenskaper

Litium ble først oppdaget i 1817 av svenske kjemikere. Det er det letteste faste elementet, med atomnummer 3 (kun 3 protoner i kjernen).

Kilde: Medium

Lithium‑atomers lille størrelse betyr at de kun har ett elektron i sitt ytre skall, og når dette elektronet flytter til et annet atom, gir det dem en enorm elektrisk potensialendring per atom.

Selv om denne ekstreme reaktiviteten er ideell for bruk i batterier, medfører den også farer. På grunn av elementets høye reaktivitet kan rent litium‑metall selvantenne når det kommer i kontakt med vann eller luft. Dette er noe likt metallisk natrium eller magnesium.

De fleste batterier fungerer rundt det grunnleggende konseptet med en negativ anode og en positiv katode, koblet sammen av en flytende elektrolytt.

Lithiums ekstreme reaktivitet betydde at elektrolytten ikke kunne være vannbasert. På 1960‑tallet ble flere slike elektrolytter designet med organiske (karbonbaserte) molekyler for å finne riktig blanding av inaktivitet, smeltepunkt, redoks‑stabilitet, løselighet av litiumioner og -salter, ion‑/elektronoverføringshastigheter, viskositet osv.

Den første utformingen av litium‑ion‑batterier brukte metallisk litium som anode og karbonatforbindelser som elektrolytter. Men å finne riktig katodemateriale var en større utfordring.

Big Oil skaper litium‑batterier

Så overraskende som det kan høres, ble opphavet til det moderne litium‑ion‑batteriet, som til slutt ville true bensindrevne motorer, utviklet i “Big Oil” Exxon Research and Engineering Company.

På 1970‑tallet ble ideen om “peak oil”, eller uttømming av oljereservene, tatt svært alvorlig av oljeselskaper. For å sikre selskapets fortsatte tilstedeværelse i energisektoren, ansatte Exxon noen av de beste forskerne på feltet. De fikk sjenerøse forskningsbudsjetter kombinert med den sjeldne friheten til uavhengig å forfølge den ideen de mente var mest lovende.

Blant dem var Stanley Whittingham, en forsker ved Stanford University som spesialiserte seg på “interkalasjon”. Interkalasjon er fenomenet der atom‑sized hull i et materiale kan binde seg til ioner.

Interkalasjon ville gjort materialet ideelt for å bygge en katode for litium‑ion‑batterier, ved å holde litiumioner i hullene.

Dette krevde imidlertid omfattende forskning, da katoden også måtte oppfylle en lang liste med spesifikasjoner:

  • Ikke løse seg opp i elektrolytten.
  • Ingen interkalasjon av elektrolytten.
  • Interkalasjon må være reversibel.
  • Minimale strukturelle endringer ved lading og utlading.
  • Kan operere ved romtemperatur og -trykk.

Whittingham valgte til slutt titandi‑sulfid (TiS2) etter å ha vurdert tantali‑sulfid, men gikk for titan på grunn av tantals tunge vekt.

For å øke ytelsen fant de en metode der TiS2‑pulver ble blandet med teflon og festet til en stålsupport, omgitt av en polypropylenfilm og litium‑metall.

Dendritt‑problemet

Et problem som fortsatt plaget potensialet til litium‑ion‑batteriet, var at over mange lad‑/utladningssykluser dannet en tre‑lignende struktur kalt dendritt av litium.

Når dendritten brøt gjennom isolatoren som skiller de to segmentene av batteriet, skapte det en kortslutning. Dette stoppet utviklingen av et kommersielt litium‑ion‑batteri i sin sporet.

Da de nådde den andre elektroden, kortsluttet batteriet, noe som kunne føre til en eksplosjon.

Brannvesenet måtte slukke flere branner og truet til slutt med å få laboratoriet til å betale for de spesielle kjemikaliene som brukes til å slukke litium‑branner.

Dendritt ble mer håndterbart ved å tilsette aluminium til litium‑anoden, og skapte det første kommersielle litium‑ion‑batteriet, brukt i klokker i 1976.

Parallelt med dette falt oljeprisene, som hadde skutt i været under stagflasjonen på 1970‑tallet, tilbake. Nye oljeforekomster ble også oppdaget, noe som reduserte frykten for “peak oil”. Det reduserte også Exxons inntekter og fortjeneste, og tvang selskapet til å kutte ned på grunnforskning og lisensiere det nyoppfunnede batteriet til andre selskaper.

Bedre katodemateriale

Der Stanley Whittingham skapte en levedyktig katode, forbedret den neste Nobelprisvinneren, John Goodenough, dens elektriske potensial, og økte batteriets ytelse.

Goodenough, en fysiker og matematiker, hadde tidligere bidratt til oppfinnelsen av RAM (random access memory) ved MIT. Han flyttet deretter til Oxford University for å forske på energisystemer, spesielt batterier.

Etter å ha studert de nyoppfunnede litium‑ion‑batteriene, innså han at metalloksid kunne fungere enda bedre enn Whittinghams metallsulfid. Etter et systematisk søk fant han at litium‑kobolt‑oksid‑designet hadde dobbelt så høyt elektrisk potensial som den forrige designen, på 4 V, og publiserte oppdagelsen i 1980.

Dette kobolt‑baserte designet forble den dominerende egenskapen i litium‑ion‑batterier frem til forrige tiår, da kobolt‑frie alternative kjemier begynte å dukke opp. En pågående prosess, som vi diskuterte i artikkelen “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”.

Et nytt hjem for litium‑forskning

I vestlige land reduserte den dramatiske nedgangen i oljepriser på 1980‑tallet etterspørselen etter alternative energiløsninger. I Japan derimot ble bærbare små forbrukerelektronikk en blomstrende industri. Den trengte en økende strømforsyning som også var langvarig, lett og liten nok til å passe inn i Walkman‑er, kameraer, datamaskiner, trådløse telefoner osv.

Akira Yoshino fra Asahi Kasei Corporation innså tidlig at batterier var den manglende lenken, og at industrien ville trenge dem.

Litium‑ion‑batterier passet godt med hensyn til energitetthet, og de hadde nå en god katode med Goodenoughs kobolt‑baserte design. Imidlertid vedvarte problemet med litium‑metall‑anoden og dens farlige dendritter.

Yoshino testet batterier som inneholdt rent litium og så at tester som å slippe en tung vekt på batteriet kunne skape en kraftig eksplosjon. Dette var for farlig for større batterier til å bestå lovgivning om forbrukerbeskyttelse, og ville uansett blitt en PR‑katastrofe.

Fjerne litium fra anoden

Grafitt, eller rent karbon, som spissen på en blyant, var lenge kjent som en potensiell erstatning for metallisk litium‑anode, takket være sin lave elektriske potensial i forhold til Li⁺/Li. Problemet var at grafitten ble skadet og flaket av i den organiske elektrolytten.

Yoshinos viktigste innsikt som skulle gi ham Nobelprisen, var å bruke petroleums‑koks i stedet for grafitt. Koks er et biprodukt fra petroleumsindustrien, og noen kvalitetsgrader av produktet viste seg å være stabile under de nødvendige forholdene for å danne et litium‑ion‑batteri.

Yoshino målte også at en koks‑anode med riktig krystallinitet kunne ta opp og slippe store mengder litium‑ioner. Dette designet var mye tryggere, og åpnet veien for kommersialisering av større litium‑ion‑batterier.

Yoshino bygde deretter et slikt batteri med både sin nyutviklede koks‑anode og Goodenoughs kobolt‑oksid‑katode.

Det ble kommersielt lansert i 1991 av Sony og Asahi Kasei, 11 år etter Goodenoughs oppdagelse og 15 år etter Whittinghams første kommersialiserte litium‑ion‑batteri.

Litium‑ion‑arv og fortsatt relevans

Yoshinos koks/kobolt‑oksid‑litium‑ion‑batterier kom raskt inn i alle moderne elektroniske enheter. Sammen med fremgangen innen databehandling og elektronikk skapte de bærbare PC‑er, mp3‑spillere, smarttelefoner, håndholdte konsoller og nettbrett som nå er allestedsnærværende i våre liv.

Litium‑ion gjennomgikk en ny revolusjon med fremveksten av elbiler. De ble først boostet av Tesla (TSLA ) og kinesiske bilprodusenter som BYD (et batteriselskap før det ble verdens største elbilprodusent, se mer om BYD på slutten av artikkelen).

Ettersom kun én elbil bruker batterivolumet til hundrevis av smarttelefoner eller datamaskiner, har denne markedsendringen ført til en eksplosjon i etterspørselen etter litium‑ion‑batterier, som overgår markedet før 2015.

Kilde: Statista

Elektrifiseringsrevolusjonen er nå i full gang, selv om etablerte bilprodusenter og mindre oppstartsbedrifter sliter med overgangen, for øyeblikket overgått av aggressive kinesiske bilprodusenter med et tidlig forsprang i elbil‑teknologi.

Litium‑ion‑batterier gjør også fremskritt i å stabilisere strømnettet, som i økende grad er avhengig av intermitterende fornybar energi. Dette er imidlertid en kategori hvor litium‑ion kanskje ikke er den beste kjemien tilgjengelig, som vi diskuterte i “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Fremtidig batteriteknologi

Et problem med den eksplosive etterspørselen etter litium‑ion‑batterier fra elbiler er at den også har forårsaket en eksplosjon i etterspørselen etter metallene i dem.

Dette har ført til ekstrem volatilitet i litiumpriser, med litiumgruvedriften som går gjennom raske sykluser av under‑ og overproduksjon.

Andre metaller, som kobolt, kan være enda mer problematiske, med masseproduksjon knyttet til barne‑ og slavelabor og andre menneskerettighetsbrudd.

Av disse årsakene identifiserte John Goodenough allerede i 1996 litium‑jern‑fosfat (LFP) som et kobolt‑fritt alternativ (“LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries”).

LFP viste seg å være et mer bærekraftig og billigere alternativ til klassiske litium‑ion‑batterier, selv om det har lavere energitetthet. Innen 2022 utgjorde LFP‑batterier 31 % av elbil‑batterimarkedet. De brukes også ofte i hjemme‑energilagring.

Andre alternativer kommer på markedet, særlig natrium‑ion (som fullstendig erstatter litium med billigere salt) og fast‑state‑batterier.

Kilde: Nature

Du kan lese en oversikt over mobilitets‑orientert batteriteknologi i “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Dette inkluderer glass‑batterier, det siste batterikonseptet som Dr. Goodenough arbeidet med før sin død i 2023, med påstander som dobbel energitetthet sammenlignet med konvensjonelle litium‑ion‑batterier, muligheten for 23 000 ladesykluser, samt ladetid på kun minutter.

Investering i batteriteknologi

Litium‑ion‑batterier har allerede endret verden flere ganger, fra å la folk bære avansert elektronikk overalt til å drive biler kun med elektrisitet. De kan fortsatt gjøre det igjen, eller andre batterityper, ved å muliggjøre et 100 % fornybart strømnett eller elektrifisering av fly når energitettheten blir høy nok.

Du kan investere i batterirelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å plukke ut spesifikke batteriselskaper, kan du også se på biotech‑ETF‑er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global Xs Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), som gir en mer diversifisert eksponering for å kapitalisere på den voksende batteriindustrien.

Batteri‑selskaper

1. CATL (300750.SZ)

CATL er den globale lederen innen batteriproduksjon, og produserer mer enn halvparten av verdens batterivolum.

Selskapet er til stede i hvert steg av batteriproduksjonens forsyningskjede og er en leder innen batteriteknologi.

Dette gjelder også for litium‑ion‑batterier, hvor selskapet har vært en lang‑etablert leder i mange år.

CATL har også kunngjort imponerende fremgang på flere andre batterityper :

Kilde: CATL

For nylig ble det kunngjort at de i hovedsak har løst problemet med dendritter som dannes med litium‑metall som anode, takket være en 3D‑struktur som blokkerer dannelsen.

Selskapet blir aktivt i markedet for storskala batterier med kunngjøringen av deres TENER‑systemytelse. Det er “verdens første masseproduserbare energilagringssystem med null degradering i de første fem årene i bruk i Beijing, Kina.”

Enorm energi i en kompakt plass: 20‑fot container med 6,25 MWh kapasitet.

Drevet av banebrytende teknologier og ekstrem produksjonskapasitet har CATL løst utfordringene forårsaket av svært aktive litium‑metaller i null‑degraderings‑batterier, noe som effektivt bidrar til å forhindre termisk løpende reaksjon forårsaket av oksidasjonsreaksjoner.

CATL har også investert 3,25 milliarder i batterigjenvinningskapasitet i Kina. CATL har oppnådd en bemerkelsesverdig gjenvinningsgrad på 99,6 % for nikkel, kobolt, mangan og 91 % for litium.

Takket være sin skala, fokus og FoU‑resultater, vil CATL sannsynligvis være i frontlinjen for batteriinnovasjon, produksjon og gjenvinning. Dette gjør dem til en nøkkelpartner for elbilprodusenter, inkludert Tesla, NIO, Ford, Stellantis osv.

2. BYD (BYDDY)

En langvarig utfordrer av Tesla i elbilmarkedet, BYD har blitt en seriøs konkurrent ikke bare for Tesla, men for praktisk talt alle bilprodusenter.

Selskapet utviklet seg fra sin opprinnelse som leverandør av litium‑ion‑telefonbatterier til å selge nesten like mange elbiler som Tesla i Kina (verdens største elbilmarked) og være best‑selgende elbil i Thailand, Sverige, Australia, New Zealand, Singapore, Israel og Brasil.

BYD er en stor del av hvorfor Kina plutselig ble verdens største bil­eksportør i 2023, og overgikk Japan. Selskapets aggressive utenlandske ekspansjon støttes også av nye fabrikker, som i Ungarn.

Og med lanseringen av $10 000‑$12 000‑biler som Seagul, som bruker natrium‑batterier, kan et helt nytt marked åpnes for BYD‑elbiler.

Fortsatt en batteriprodusent i kjernen, BYD er en seriøs utfordrer til CATL i LFP‑batterimarkedet, med en markedsandel på 41,1 % i Kina (sammenlignet med CATLs 33,9 %).

“Flommen” av billige elbiler produsert av BYD til de europeiske og amerikanske markedene vil sannsynligvis møte en viss beskyttelsesisme (selv over de nylig innførte tollene), noe som kan hemme BYDs vekst.

Men samtidig er billige kinesiske elbiler allerede en stor suksess i resten av verden, som ikke har mange etablerte innenlandske bilprodusenter å beskytte, inkludert hele Sør‑America, Russland, Afrika, Midtøsten og Sør‑øst‑Asia.

Dette representerer flere milliarder potensielle kunder for BYD, som bor i land som ønsker å opprettholde en geopolitisk balanse og holde gode relasjoner både med Vesten og Kina, så det er lite sannsynlig at det vil oppstå for sterke proteksjonistiske barrierer.

Og selv i EU eller USA kan BYD holde seg konkurransedyktig, takket være de mye høyere prisene til lokale elbilprodusenter sammenlignet med prisene i Kina, samt lokalisering av produksjonen utenfor Kina for disse markedene, som for eksempel i Øst‑Europa, Mexico eller Tyrkia.

mm

Jonathan er en tidligere biokjemisk forsker som har arbeidet med genetisk analyse og kliniske studier. Han er nå aksjeanalytiker og finansskribent med fokus på innovasjon, markedssykluser og geopolitikk i sin publikasjon 'The Eurasian Century'.⁣⁣⁣​⁣