Natrium‑ion‑batterier er på vei opp, men litium‑ion kan bli her for å bli på grunn av indium

Gjenfødelsen av litium‑ion?

En nylig oppdagelse av forskere ved Cornell University kan bringe litium‑ion‑teknologi tilbake i konkurransen om den perfekte batteriteknologien. De har funnet at bruk av et indium‑anodemateriale vil tillate ekstremt rask lading av litium‑ion‑batterier.

Litium‑ion‑batterier har hittil dominert designen av batterier for små elektroniske enheter og tidlige elbilmodeller. Imidlertid har noen begrensninger ved teknologien fått industrien til å lete etter alternativer, inkludert natrium‑ion‑ eller fast‑stoff‑batterier. Ved å bruke indium vil et nøkkelproblem for masseadopsjon av elbiler – rekkeviddeangst – bli fjernet. De fleste elbilbrukere er bekymret for at de skal gå tom for batteri før de når en ladestasjon. Derfor ser de etter en svært kraftig batteripakke, noe som legger til vekt og kostnader til bilen.

Et annet problem er hvor lang tid det tar å lade batteriet. Dette kan være en alvorlig bekymring for langdistanse‑reiser eller kommersielle anvendelser. Det reduserer også tilgjengeligheten av ladestasjoner, ettersom hver «full tank» tar tid og gjør elbil‑laderen utilgjengelig.

Dermed kan en raskere ladende litium‑ion‑batteriteknologi bidra til å redusere kostnadene for elbiler, lindre rekkeviddeangst og forbedre ladeinfrastrukturens muligheter.

Indium‑batterier til unnsetning?

Forskningen ble utført av Lynden A. Archer‑teamet ved Cornell’s Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, med hovedforfatter Shuo Jin, en doktorgradsstudent i kjemisk og biomolekylær ingeniørfag.

I deres publikasjon “Fast-charge, long-duration storage in lithium batteries” forklarer de tilnærmingen sin. De fokuserte på kinetikken (hastigheten) til elektrokjemiske reaksjoner, spesielt «Damköhler‑tallet». Ved å se på transporthastigheter i fast fase, fant de at indium var en svært god kandidat for raskt ladende batterier. Per i dag brukes indium hovedsakelig i LCD‑skjermer og andre høyteknologiske anvendelser som fotovoltaikk, kryogenikk og kontrollstaver i kjernekraftverk.

Indium er et godt metall for bruk i anoder på grunn av sin raske diffusjon og langsomme overflatesreaksjons‑kinetikk, noe som gir rask lading av batteriet.

Indium – et første steg mot AI‑designede batterier?

Indium‑anoder kan bidra til å redusere rekkeviddeangst, noe som igjen vil minske behovet for svært store og tunge batteripakker. Imidlertid er indium selv et svært tungt og tett metall.

Dette er grunnen til at Pr Archer også ser på teamets oppdagelse om indium som et utgangspunkt.

“Der ligger en mulighet for beregningskjemi‑modellering, kanskje ved bruk av generative AI‑verktøy, for å finne ut hvilke andre lettvektige materialkjemier som kan oppnå de samme iboende lave Damköhler‑tallene.

For eksempel, finnes det metalllegeringer der ute som vi aldri har studert, som har de ønskede egenskapene?”

Utnyttelse av AI‑fremskritt for å finne nye batterimaterialer er en realistisk idé, som vist av forskere ved PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) forskningsgruppene. I vår artikkel “Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)” diskuterte vi hvordan de brukte flere prediktive kjemi‑AI‑er til å screen 32 million ideas in less than 80 hours, noe som førte til oppdagelsen av et nytt batterielektrolytt.

Kanskje kan den samme teknikken brukes, med fokus på Damköhler‑tallet for å finne materialer som presterer like bra som indium, men som er lettere.

Batteriers livssykluslagre

1. Arcadium Lithium (Sammenslåing av Allkem + Livent)

Arcadium er resultatet av en likestilt fusjon mellom litiumgruvedrift‑ledere Allkem og Livent, og gjør det til verdens tredje største litiumprodusent. Fusjonen skaper et selskap som er til stede i alle trinn av litiumproduksjon og -behandling.

Selskapets produksjon er hovedsakelig lokalisert i Argentina, i litium‑triangelet (Chile, Argentina, Bolivia) i form av brønnvann, med noe hard‑stein‑litium i Canada og Australia.

Kilde: Arcadium

Litium er en råvare som nylig har lidd under lave priser, ettersom store bilprodusenter som Ford eller GM har bremset sine planer for elbiler. Samtidig blir kinesiske elbilprodusenter som BYD anklaget for å oversvømme utenlandske markeder med lavpris‑elbiler, noe som kan utløse en ny bølge av elbiladopsjon i de kommende årene. For eksempel den €10 000 BYD Seagull som kommer til Europa i år.

Dermed er den nåværende pris svakheten i litium kanskje ikke varig.

2. CATL

CATL er den globale lederen innen batteriproduksjon, og produserer mer enn halvparten av den globale batterivolumet. Selskapet er til stede i hvert trinn av batteriproduksjonens forsyningskjede og er en leder innen batteriteknologi.

Dette gjelder litium‑ion‑batterier, hvor selskapet har vært en etablert leder over lang tid. CATL har også kunngjort imponerende fremgang på flere andre batterityper:

• Et 12 000‑sykluser ultra‑lang‑levetid‑batteri for energilagring i stor skala, med 18 000 sykluser som langsiktig mål.
• Et 700 km LFP‑batteri (Lithium‑jern‑fosfat) som lader 400 km rekkevidde på 10 minutter.
• Et 500 Wh/kg batteri, som potensielt kan muliggjøre elektrifisering av passasjerfly.
• Masseproduksjon av 160 Wh/kg natrium‑ion‑batterier, med et mål på 200 Wh/kg.

Kilde: CATL

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

Takket være sin skala, fokus og FoU‑resultater, er CATL sannsynligvis i frontlinjen for batteriinovasjon, produksjon og gjenvinning. Dette gjør selskapet til en nøkkelpartner for elbilprodusenter, inkludert Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis osv.

3. BYD

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

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

BYD er en stor del av hvorfor Kina plutselig ble verdens største bil eksportør 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, kan et helt nytt marked åpnes for BYD‑elbiler.

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

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

«Flommen» av billige elbiler produsert av BYD til de europeiske og amerikanske markedene vil sannsynligvis bli møtt med en viss grad av proteksjonisme, noe som kan hindre 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 er ivrige etter å opprettholde en geopolitisk balanse og holde gode relasjoner både med Vesten og Kina, så det er usannsynlig at det vil skape for sterke proteksjonistiske barrierer.