Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi

Elbilenes fremvekst

Da Tesla (TSLA ) ble grunnlagt i 2003, ble elbiler ofte betraktet som et nisjeprodukt. Mange modeller hadde kort rekkevidde og beskjedne ytelser, men det fantes også fullverdige elbiler før Tesla.

Tesla Roadster av ^første generasjon (en etterfølger er under utvikling) bidro til å endre oppfatningen med ytelser som en eksklusiv sportsbil.

Fremskritt i batteriteknologien var avgjørende. Først benyttet produsentene litiumionceller utviklet for bærbar elektronikk. Deretter kom flere løsninger spesielt for kjøretøy og lengre rekkevidde.

Ifølge IEA ble det solgt over ti millioner elbiler i 2022, tilsvarende 14 prosent av verdens nybilsalg. Tallet omfatter både helelektriske biler og ladbare hybrider. Kina og Europa ledet markedet.

Globalt elbilsalg – Kilde: IEA

Til tross for veksten var det i 2023 spørsmål om tempoet i overgangen til elbiler. Høy inflasjon, finansieringskostnader og behovet for å overbevise flere enn de første kjøperne satte enkelte planer under press. Det bidro til utsatte eller endrede elbilplaner hos produsenter som GM, Ford og Honda.

De nåværende begrensningene

Tidlige kjøpere verdsatte den nye teknologien og muligheten til å redusere utslipp. Andre bilister var mer skeptiske av flere grunner:

• Pris: Mange elbiler var dyrere i innkjøp enn sammenlignbare biler med forbrenningsmotor. Høyere renter kunne gjøre finansieringen enda dyrere.
• Rekkeviddeangst: En måte å redusere prisen på en elbil er å velge en mindre batteripakke. Men da kan den kortere rekkevidden gjøre lange turer vanskelige, og ladetiden kan også bli lang.
• Kaldt vær: Kulde reduserer midlertidig den tilgjengelige energien og kan gjøre ladingen langsommere. Forvarming og parkering med bilen tilkoblet kan hjelpe. En elbil trenger likevel ikke alltid lades hele vinternatten bare fordi den står utendørs.
• Ladeinfrastruktur: Folk som bor i leiligheter kan ha vanskelig for å lade elbilen sin dersom det ikke finnes nok offentlige ladestasjoner. Lange køer, treg lading eller ingen ladestasjoner i nærheten kan gi en dårlig opplevelse.
• Batterisikkerhet og holdbarhet: Litiumionbatterier lagrer mye energi. Mange vanlige flytende elektrolytter er brannfarlige, og skader eller overoppheting kan føre til brann. Risikoen avhenger også av kjemi, kjøling og beskyttelsessystemer. Biler med forbrenningsmotor kan også brenne.
• Strømnett: Selv om det ikke er et stort problem for elbilkjøpere, kan det bli et problem for sektoren som helhet. Strømnettene er allerede noe belastet, og kan ha problemer med å håndtere millioner av kjøretøy som trenger lading. Kilden til elektrisiteten er også et problem, da mye kommer fra fossile brensler, inkludert kull.

Bedre batterier kan forbedre ladetid, rekkevidde, sikkerhet, kuldeegenskaper og kostnader. Kjøretøyets utforming, ladeinfrastruktur og strømnett er også viktige.

Forskere og produsenter arbeider med både forbedringer av dagens konstruksjoner og nye måter å bygge batterier på.

Høyere energitetthet kan redusere vekt og plassbehov. Det gjør ikke automatisk batteriet billigere, sikrere, mer holdbart eller raskere å lade; materialer og konstruksjon er også avgjørende.

Forbedring av litiumbatterier

Et første steg er å forbedre dagens batterier ved hjelp av den opparbeidede kunnskapen. En forskningsoversikt beskriver mulige trinnvise forbedringer frem mot 2030: «Utsikter for litium‑ion‑batterier og videre—en 2030‑visjon».

Et forskningsområde er katoden. Noen litiumionkjemier bruker nikkel og kobolt, mens andre bygger på eksempelvis jernfosfat. Kunnskap om krystallstrukturen og endringer under aldring kan forbedre ytelsen.

Anoder av grafitt kan delvis erstattes med silisium eller silisiumoksid. Silisium har langt høyere teoretisk spesifikk lagringskapasitet enn grafitt, men det betyr ikke at hele batteriet lagrer fem til ti ganger mer energi. Utvidelse og nedbrytning er utfordringer. Blandinger av grafitt og silisium brukes allerede.

Endringer i elektrolyttene som leder ioner mellom anode og katode kan også hjelpe. Nye løsemidler, mer konsentrerte elektrolytter og gelbaserte løsninger kan forbedre sikkerhet og energitetthet.

En bedre konstruksjon kan dessuten forbedre integreringen i kjøretøyet. Enkelte produsenter utvikler strukturelle batterier som både lagrer energi og inngår i kjøretøyets bærende konstruksjon. Det kan redusere komponenter og vekt. Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla og Volvo undersøkte forskjellige løsninger. Den omtalte rekkeviddeøkningen på 16 prosent var et konstruksjonsmål, ikke en generell forbedring for alle biler.

Faststoffbatterier

Etter lang forskning har faststoffbatterier gradvis blitt utviklet i laboratorier og omtales ofte som et viktig etterlengtet gjennombrudd.

De erstatter den flytende elektrolytten med en fast ioneleder, uten å fjerne elektrolytten helt. Enkelte konstruksjoner kan øke energitettheten og redusere mengden brannfarlig væske. Produksjonen kan også endres. Den siterte analysen diskuterte en mulig tidsbesparelse på opptil tre uker i produksjonen, avhengig av prosessen.

Enkelte utviklere sikter mot lading på tre til fem minutter. Det er et utviklingsmål, ikke en automatisk egenskap ved alle faststoffbatterier.

Flere selskaper utviklet faststoffbatterier og oppga ulike lanseringsmål for perioden 2026–2029. Blant dem var QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) og Samsung SDI (006400.KS). Tesla (TSLA) utvikler et annet teknologispor: sylindriske 4680-celler med litiumionteknologi. Betegnelsen beskriver et celleformat, ikke faststoffkjemi. Selskapenes tidsplaner var mål, ikke garanterte lanseringer.

Problemer med faststoffbatterier

Det er vanskelig å skalere laboratorieprototyper til rimelig og pålitelig masseproduksjon. Kvalitet, automatisering og kostnader må oppfylle kravene samtidig. Markedsintroduksjon i 2026–2028 var en vurdering gjort i 2023, ikke et sikkert resultat.

Kilde: Vertex Holdings

Noen konstruksjoner med litiummetallanode kan kreve mer litium per celle. Dette gjelder ikke alle konstruksjoner eller automatisk per lagret kilowattime. Litiumprisene steg kraftig frem til 2022, men fremtidige priser avhenger også av tilbud og etterspørsel. Gjenvinning er fortsatt en utfordring for nye konstruksjoner.

«Kondenserte» batterier

Høy energitetthet krever ikke nødvendigvis en helt fast elektrolytt.CATL presenterte et batteri med kondensert elektrolytt med opptil 500 Wh/kg ifølge selskapets kunngjøring i april 2023. CATL sa det kunne skalere raskt og utviklet løsninger for luftfart og biler. Dette var selskapets ytelsesopplysninger og planer.

Den annonserte energitettheten på cellenivå var interessant for elektrisk flyging. Et brukbart fly krever også tilstrekkelig effekt, levetid, sikkerhet, sertifisering og en egnet batteripakke.

Alternative batterikjemier

Det finnes flere kjemier ved siden av vanlige nikkelrike litiumionbatterier. LFP er også en litiumionkjemi. For kjøretøy må vekt, energitetthet, sikkerhet og pris passe sammen.

På sikt kan rimeligere kjemier få en større rolle, særlig i det prisfølsomme bilmarkedet.

Litium‑jern‑fosfat‑batterier – LFP

LFP har ofte lavere energitetthet enn nikkelrike litiumionkjemier. Forskjellen oppgis noen ganger til 30–40 prosent, avhengig av hvilke celler og pakker som sammenlignes. Bedre celler og mer effektive pakker har gjort LFP attraktivt for rimelige biler.

LFP trenger verken nikkel eller kobolt. Jern og fosfat er rikelig tilgjengelig og relativt rimelig. Lang levetid kan også redusere kostnadene gjennom bruksperioden.

Blant de store produsentene av LFP finner vi CATL (300750.SZ) og BYD (BYDDF). CATL utvikler også andre kjemier for å styrke markedsposisjonen.

I august 2023 presenterte CATL Shenxing, et LFP-batteri som ifølge selskapet kunne gi over 700 kilometers rekkevidde og lade for 400 kilometer på ti minutter. Resultatene avhenger av kjøretøy, testvilkår og ladeforhold.

Natriumionbatterier

Litium er en viktig råvare i litiumionbatterier. Natrium er langt mer tilgjengelig og kan redusere avhengigheten av enkelte dyrere materialer.

En rapport fra november 2022 forutså at BYD ville bruke natriumionbatterier i rimelige modeller som Dolphin og Seagull. Dette var en prognose: modellene som ble lansert brukte LFP Blade-batterier. Den nevnte prisen på rundt 10 000 dollar for Seagull gjaldt det kinesiske markedet.

CATL hadde allerede presentert natriumionceller med 160 Wh/kg i 2021. I november 2023 kunngjorde Northvolt en natriumioncelle beregnet først og fremst på stasjonær energilagring, med en validert energitetthet på over 160 wattimer per kilogram.

Natriumion kan bli rimeligere fordi råvarene er lett tilgjengelige. En mulig pris på en tredel av enkelte nikkelholdige batterier var en prognose, ikke en generelt dokumentert markedspris. Energitetthet og bruksområder avhenger av konstruksjonen.

Andre kjemier

Andre kjemier kan på sikt bli konkurrenter innen mobilitet. Mange var imidlertid i en tidlig forskningsfase, noe som gjorde bruk i elbiler på kort sikt usikkert.

Glassbatterier

En fascinerende idé som bygger på lett tilgjengelige materialer, men hvor resultatene har vært vanskelige å bekrefte uavhengig. En av forskerne bak ideen var John B. Goodenough, en av pionerene bak litiumionbatteriet. Han døde 25. juni 2023. Konseptets praktiske ytelse må vurderes gjennom reproduserbare forsøk.

Grafenbatterier

Grafen er ett lag karbonatomer med høy elektrisk ledningsevne. Graphene Manufacturing Group (GMG.V) forsker på grafen-aluminiumionbatterier. Påstander om opptil sytti ganger raskere lading og tredoblet levetid stammet fra tidlige tester, ikke dokumentert ytelse for en kommersiell elbilpakke. Selskapet inngikk en utviklingsavtale med gruveselskapet Rio Tinto i mai 2023 (RIO ) for en prøvepakke. Storskala produksjon omkring 2025 var den gang en plan.

Magnesiumionbatterier

En studie fra 2023 beskrev et magnesiumionbatteri med kvasi-fast elektrolytt. Ved −22 °C beholdt det 90 prosent av kapasiteten etter ni hundre sykluser. Teknologien var fortsatt på forskningsstadiet.

Litium‑svovel‑batterier

Disse batteriene bruker litium og svovel uten å kreve kostbare katoder med nikkel eller kobolt. Energitettheten kan bli høy, men levetid og kapasitetstap er viktige utfordringer.

Kilde: Vertex Holdings

Natrium‑svovel‑batterier

Vanlige natrium-svovelbatterier arbeider ved høy temperatur, omkring 300 °C. Forskning på nye elektrolytter som begrenser oppløsning av svovel kan åpne for lavere driftstemperatur. Dette er en mulig vei mot rimelige batterier med bedre ytelse.

Aluminium‑ion‑batterier

Aluminiumionbatterier kan bruke en aluminiumanode. Forskere undersøkte også en organisk redokspolymer som erstatning for grafitt i den positive elektroden og oppnådde høyere spesifikk lagringskapasitet.

Aluminium‑luft

Aluminium-luftceller produserer strøm når aluminium reagerer med oksygen og forbrukes. De siterte konseptene lovet omtrent 1 600 kilometers rekkevidde og en spesifikk energi på 1 350 Wh/kg. Sistnevnte er energi per masseenhet, ikke effekt i W/kg. Dette er ikke garanterte ytelser for et komplett kjøretøy. Bruk i elektriske fly er også foreslått.

Ifølge utviklerne kunne aluminiumet byttes på rundt nitti sekunder i et tilpasset system. Reaksjonsproduktet må deretter bearbeides industrielt til nytt aluminium, noe som krever energi. En tilleggsmodul for å øke rekkevidden til eldre elbiler var også et foreslått bruksområde.

Utviklingen møter tekniske, økonomiske og infrastrukturelle utfordringer, blant annet produksjon og gjenvinning av aluminium. Støtteordninger kan påvirke økonomien, men manglende offentlig støtte kan ikke uten dokumentasjon beskrives som den eneste eller viktigste hindringen.