Ultra‑holdbare batterier: Hvorfor neste generasjons teknologi vil vare i tiår, ikke bare år

Batterier laget for å vare

Etter hvert som verden elektrifiseres og går over til fornybar energi, øker behovet for mer energilagring. Dette skyldes delvis overgangen til elbiler, men også den uregelmessige naturen til fornybar produksjon.

Dette kan delvis kompenseres av andre lavkarbon energikilder, som vannkraft eller kjernekraft, eller kanskje geotermisk energi i fremtiden. Likevel vil tilhengere av grønn energi langt foretrekke å se lavkostsol (og vind) som grunnlaget for våre energisystemer.

Dette skaper et behov for batterier med fundamentalt andre egenskaper enn de som kreves for mobilitet.

Elbiler trenger svært energitette batterier som er lette nok i vekt og små nok i volum til å kunne plasseres i bilens ramme. Holdbarhet er en bekymring, men så lenge batteriet kan fungere i 10–15 år, er dette sannsynligvis i tråd med holdbarheten til resten av bilens komponenter.

I kontrast er energilagringsbatterier mye mindre begrenset av vekt eller volum. De er imidlertid definitivt begrenset av kostnad, da de i praksis er en ekstra kostnad ved produksjon av grønn energi og strømnettet.

En måte å redusere kostnaden for energilagring på er å bruke billigere materialer enn litium til å bygge batteriet. Mange alternativer vurderes, som vi tidligere diskuterte i “Fremtiden for energilagring – Teknologi for storskala batterier”: batterier som bruker teknologier som natrium‑ion, jern‑luft, sink, havsalt, polymerer, natrium‑svovel eller til og med smeltede metaller.

Et annet nøkkelpunkt for å redusere levetidskostnaden for et batterisystem er å få det til å vare flere tiår. Ved å amortisere investeringen over mange år, blir kapitalkostnaden for batteriet mye lavere på årsbasis. Dette er noe kraftselskapene sannsynligvis vil føle seg mer komfortable med, siden de er vant til å amortisere nye kraftverk over 30–50 år.

Hvorfor svikter batterier?

Død av dendritter

Før vi bygger et batteri som varer nesten evig, må vi se på hvorfor de fleste batterier mister ladning over tid eller slutter å fungere.

En viktig faktor, spesielt for litium‑ion‑batterier, er veksten av dendritter. Denne stalaktitt‑lignende strukturen vokser fra feilaktig opphopning av metall i batteriet og kan over tid bryte barrieren mellom katode og anode, noe som potensielt kan føre til en kortslutning og en katastrofal brann.

Kilde: Nobel Prize

På grunn av denne brannfaren er dendritter et spesielt alvorlig problem for kraftselskaper, da en brann i én battericelle raskt kan spre seg til en hel milliardpark med batterier i nærheten. Ideelt sett bør en batteriteknologi som er laget for å vare ha nesten ingen risiko for å danne disse dendrittene.

Det bør også bemerkes at selv om dendritter mest diskuteres i forbindelse med litium‑ion‑batterier, er dette et vanlig problem for de fleste batterier som bruker metalliske anoder og/eller katoder.

Ladetap

En annen måte batterier kan svikte på er ved gradvis å miste sin kapasitet til å lagre energi. Dette skyldes vanligvis at noe av metallet som brukes i elektroden sakte akkumuleres i en form som ikke kan omdannes tilbake til noe nyttig.

Kilde: EnergSoft

Andre årsaker kan være små sprekker som dannes fra mekanisk og termisk stress, tap av strukturell integritet, opphopning av uønskede avleiringer osv.

Kilde: EnergSoft

Jo mer en batteriteknologi er utsatt for denne langsomme nedbrytningen, desto mer reduseres den totale ladningen, og batteriet blir gradvis ubrukelig. I tillegg har nedbrutte batterier en tendens til å holde på ladningen dårligere og kaste mer av den lagrede energien, noe som gjør dem enda mindre lønnsomme.

Den ideelle batteriteknologien ville derfor ikke være utsatt for langsom nedbrytning av sine bestanddeler, eller kunne regelmessig regenereres til en optimal tilstand uten å måtte resirkulere hele systemet.

Hvis du vil lære detaljene om hvordan batterier degraderes, kan du også se denne 22‑minutters videoen:

Sykluslevetid

Batteriholdbarhet kan være vanskelig å måle. For eksempel blir de fleste EV‑batterisystemer vanligvis målt per mil, eller hvor langt EV‑ene kan kjøre før de trenger en ny batteripakke.

En annen måte å måle det på er antall lade‑utladningssykluser som kan gjennomføres før batteriet mister en betydelig del av sin totale ladning. For energilagring er en vanlig syklus med lading‑utlading, opptil 1–3 ganger per dag, forventet.

Til slutt er hvor lenge en ladning kan holdes også et viktig spørsmål, da de fleste batterier mister litt av ladningen hver dag. Samtidig kan vinden slutte å blåse i flere uker, og vinterdager er de med minst sol og høyest strømforbruk, spesielt i kalde klima. Så i teorien ville et batteri som kan levere strøm uten stort tap i flere uker eller måneder være det ideelle alternativet.

Temperaturtoleranse

De fleste batteriteknologier er mer enn litt intolerante mot kulde, spesielt frysetemperaturer. Siden energilagring i stor skala sannsynligvis vil foregå utendørs i nærheten av en kraftstasjon, kan dette være et alvorlig problem i kalde klima om vinteren. Hvis en betydelig del av den lagrede energien ender opp med å bli brukt til å holde batteriene varme, kan dette sterkt påvirke økonomien ved å drive disse batteriene.

Ultra‑holdbare batteriteknologier

Bikake‑batterier

Selv om alternative kjemier til slutt vil bli vinnerne for å drive et fullt fornybart kraftnett, ser batteriprodusenter også på måter å gjøre deres nåværende teknologi mer holdbar på.

Et slikt eksempel er CATL’s (300750.SZ) bikake‑batterier. Batterigiganten CATL, som produserer mer enn halvparten av verdens batterier, satser stort på denne teknologien. Den ser ut til å delvis være basert på en idé som allerede ble foreslått i et vitenskapelig papir fra 2020 med tittelen “Strekkbar litium‑ion‑batteri basert på ny mikrobikake‑struktur”.

Kilde: Phys.org

Fra et vitenskapelig papir fra 2021, kan vi lære noen av de viktigste fordelene med bikake‑former, spesielt lav tetthet og høye kompresjons‑ og skjær‑egenskaper utenfor planet (motstand mot krefter som virker parallelt men i motsatt retning).

Denne endringen i batteriets fysiske konfigurasjon holder materialet på rett sted, og unngår sprekker og sammentrekning under lading.

Selv om det ikke er klart hvordan CATL gjorde det, er noen av disse metodene kjent; for eksempel kan påfølgende termiske og kjemiske behandlinger med karbon og syre skape en nano‑bikake‑struktur.

Kilde: Chemistry Europe

Kilde: Chemistry Europe

Alt i alt ser bikake‑batteristrukturen ut til å unngå sprekker og dannelse av dendritter, og skaper et ultra‑holdbart batteri samtidig som den fortsatt baserer seg på det velkjente prinsippet for litium‑ion‑ og LFP‑batteriteknologier (litium‑jernfosfat).

Det er sannsynlig at dette er kjernen i CATL’s nye produkt, TENER containerized LFP battery system, som har demonstrert null nedbrytning i kapasitet etter en full 5‑års drift.

TENER begynner nå å kommersialiseres av CATL til kraftselskaper.

Kilde: Sustainability Environment

Fast‑tilstand‑batterier

I tillegg til endringer i kjemien kan selve måten batterier bygges på endres for å lage tettere og mer holdbare batterier.

Dette er ideen bak fast‑tilstand‑batterier, som erstatter den flytende elektrolytten i de fleste batteridesign med et fast metalllag. Dette bør i teorien bygge de mest energirike batteriene, selv om de kanskje ikke er de billigste.

Inntil nylig har dette vært en vanskelig idé å implementere i stor skala, da det krever perfekt kontakt mellom metalllagene. Mekanisk bevegelse under lading‑utlading fører også ofte til sprekker.

Kilde: Flash Battery

Imidlertid viser siste utvikling fra mange selskaper som QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) eller Hyundai (HYMTF) fra batterifabrikker og masseproduksjon for 2028‑2030 at teknologien nå blir moden.

I teorien kan velutviklede fast‑tilstand‑batterier gradvis erstatte alle litium‑ion‑, LFP‑ og til og med natrium‑ion‑batterier i elbiler.

Deres endelige pris er ennå ukjent når de produseres i stor skala for å avgjøre om de blir rimelige nok for lagring i strømnettet. Kanskje spesielle konsepter som anode‑frie natrium‑fast‑tilstand‑batterier kan løse dette, da de unngår bruk av dyrt litium‑metall.

(Du kan lære mer om investeringsmuligheter i denne teknologien i “5 beste fast‑tilstand‑batteri‑aksjer å følge eller kjøpe”).

Sink‑batterier

Siden sink er et svært billig og rikelig metall, har det blitt brukt i engangsbatterier i lang tid. Gjenbrukbare batterier kan også bygges med sink, spesielt sink‑baserte vannbaserte batterier (ZABs).

Det er imidlertid et design som har vært plaget av dendritt‑dannelse, parasittisk hydrogenutviklingsreaksjon (HER) og overflatekorrosjonspassivering, noe som kraftig reduserer nytten.

Dette endrer seg takket være ny forskning utført ved Teknisk Universitet i München¹. De brukte en porøs organisk polymer kalt TpBD-2F. Dette materialet danner en stabil, ultratynn og svært ordnet film på sinkanoden, som gjør at sinkioner kan strømme effektivt gjennom nano‑kanaler samtidig som vann holdes borte fra anoden.

Kilde: Advanced Energy Materials

De samlede fullcellene (Zn‑ion‑kondensatorer) leverer en ultra‑lang sykluslevetid på over 100 000 sykluser, en forbløffende holdbarhet, takket være nesten fullstendig undertrykking av dendritt‑dannelse, samt ingen HER og korrosjon.

I tillegg til sink‑batterier tror forskerne at dette konseptet kan utvides til andre metallanoder: litium, natrium, kalium, aluminium osv.

TAQ‑polymer‑ og natrium‑ion‑batterier

Polymer (karbon) og natrium i stedet for litium kan være en god måte å redusere prisen på råmaterialene som går inn i et batteri. Dette er hva forskerne ved MIT kombinerte i deres TAQ‑natrium‑ion‑batteri.

I de innledende testene oppnådde den 2 000 lade‑utladningssykluser uten synlig nedbrytning, samtidig som den leverte høyere energitetthet enn litium‑batterier og ultra‑rask 6‑minutters lading.

Dette viser at den batterikjemien som til slutt sannsynligvis vil vinne løpet om ultra‑holdbare batterier kanskje ikke bare er mer av det samme, men en radikal revurdering av hvilke materialer som kan brukes i et batteri, med både billige og rikelige elementer som karbon og natrium som gode kandidater.

Smeltede metall‑batterier

De fleste batterikonsepter er basert på overføring av elektroner mellom én oksidasjonstilstand av faste metallatomer til en annen oksidasjonstilstand. I disse må anoder og katoder være perfekt adskilt for å unngå kortslutninger.

Jo mer metall og jo færre flytende deler som elektrolytter, desto bedre, som i fast‑tilstand‑batterier, eller så går retningen i mesteparten av batteribransjen.

Ved radikalt å utvide hva som kan betraktes som et batteri, gjør smeltede metall‑batterier det motsatte: alle tre hovedkomponentene, anode, katode og elektrolytt, er flytende.

De skiller seg spontant fra hverandre takket være ulike flytende tettheter. Det faktum at det ikke finnes noen faste komponenter, bør i teorien øke batteriets levetid dramatisk, samt tillate svært rask lading og utlading og full gjenvinning.

Kilde: Ambri

Det kalifornisk‑støttede selskapet Ambri, som bruker et sink‑ og antimon‑batteri, har vært en forkjemper for denne teknologien. Det planla å produsere 200 000 battericeller per år i sin nye fabrikk innen 2024.

Dette ble imidlertid ikke realisert, da selskapet gikk tom for penger før de kunne skalere opp produksjonen. Det har siden kommet ut av konkurskapittel 11 sommeren 2024, og vil fortsatt bli ledet av medgründer Dr. David Bradwell som administrerende direktør.

Vi ser frem til å tilby vårt unike, trygge og kostnadseffektive kommersielle produkt til våre kunder i stor skala, for å møte den sterke kundedemanden etter våre batterisystemer, og for en renere energifremtid.

Etter at vi starter på nytt med en sterkere balanse og ny kapital, fokuserer vi på å posisjonere Ambri til å spille en ledende rolle i markedet for langtids energilagring til fordel for våre interessenter.”

David Bradwell

Japanske NGK isolator (NGKIF) arbeider også på et natrium‑svovel smeltet salt‑batteri, og selskapet Horien arbeider med et natrium‑nikkel‑klorid‑batteri.

Begge selskapenes produkter er allerede kommersialisert og vurdert til en levetid på over 20 år.

Varme‑/termiske batterier

Ved å utvide definisjonen av batteri fra elektrisk lagring til simpelthen enhver energilagring, lagrer varmbatterier grønn kraft i form av varme i stedet for elektro‑kjemisk energi.

Dette kan gi flere viktige fordeler sammenlignet med «normale» batterier:

• Varmebevaring over flere måneder er fullt oppnåelig med tilstrekkelig isolasjon, mens kjemiske batterier alltid vil lekke mer strøm per dag.
• Det meste av materialet som holder på varmen kan sykliseres hundretusener av ganger uten betydelig nedbrytning.
• Materialene som brukes er billige og rikelige, som for eksempel sand eller ren karbon.

Kombinasjonen av billige materialer, nesten ingen nedbrytning over tiår, og energibevaring over flere måneder gjør varmbatterier til et godt alternativ.

Det er hovedsakelig private selskaper som utforsker denne ideen, spesielt det finske selskapet Polar Night Energy, som lagrer overskuddsenergi fra sommeren til vinteren, ved kun å bruke lavkvalitets sand og litt metall til rammen og rørledninger.

Kilde: Polar Night Energy

Et lignende varmbatteri er tenkt av Rondo Energy, med keramiske blokker som kan varmes opp til så mye som 1500 °C, og bruke varmen til industrielle prosesser som sement- eller stålproduksjon.

Kilde: Rondo Energy

Alt i alt kan dette være et flott alternativ for å avkarbonisere sektorer som fortsatt bruker mye fossilt brensel, som tungindustri og vinteroppvarming av leiligheter. Spesielt siden designet kan hjelpe med å lagre energi fra den solrike sommeren til den skyete vinteren.

Den lagrede varmen kan til og med konverteres tilbake til strøm, takket være termofotovoltaiske celler, med forskerne ved University of Michigan har utviklet celler med en rekord på 44 % effektivitet².

Kilde: Design Boom

Konklusjon

Batterisystemer for strømnett og hjem vil sannsynligvis være mindre avhengige av dagens litium‑ion‑teknologi og mer av billigere og mer holdbare teknologier, selv om de er mindre energitette. For øyeblikket er de som er klare for massekommersialisering avanserte bikake‑struktur LFP‑ og natrium‑ion‑batterier.

I det lange løp vil mer eksotiske løsninger sannsynligvis bli lagt til blandingen, som smeltede metall‑, sink‑, polymer‑ eller varmbatterier. Til syvende og sist vil holdbarhet, materialkostnader og produksjonskostnader sannsynligvis være den avgjørende faktoren for hvilke som blir den «endelige formen» for ultra‑holdbar energilagring.

Det vil si, dersom fast‑tilstand‑batterier ikke viser seg å være rimelige nok til å overta hele energilagringsmarkedet, noe som er en reell mulighet.

Ultra‑holdbare batteriselskap

QuantumScape

Siden grunnleggelsen i 2010 har det kaliforniske QuantumScape vært en fremtredende oppstartsbedrift innen fast‑tilstand‑batterier, bemerkelsesverdig for sin tidlige inntreden i feltet, og sin uavhengighet fra større batteriprodusenter som også satser på fast‑tilstand‑teknologi, som CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

Kilde: QuantumScape

En unik egenskap ved QuantumScape‑batterier, som på den tiden ble ansett som revolusjonerende, er at de bruker et anode‑fritt design. Det tillater ~15‑minutters hurtiglading (10‑80 % ved 45 °C) og separatoren er ikke‑brannfarlig og ikke‑brennbart.

Kilde: QuantumScape

Dette plasserer også QuantumScape‑batterier i en egen liga når det gjelder energitetthet og ladingshastighet, og overgår massivt ledere som Tesla (TSLA ) (både deres eget design og CATL‑lagde).

Kilde: QuantumScape

Imidlertid har disse bemerkelsesverdige prestasjonene jevnlig blitt hindret av vanskeligheter med å skalere opp produksjonen. Det har også tvunget selskapet til å brenne gjennom sin kontantreserve, noe som har ført til utvanning av tidligere investorer og nedgang i aksjekursen.

Dette ser ut til å endre seg siden 2024‑avtalen med PowerCo, Volkswagen Groups batteridivisjon, for en lisensavtale for design og masseproduksjon av QuantumScape‑batterier av PowerCo.

I henhold til den ikke‑eksklusive lisensavtalen kan PowerCo produsere opptil 40 gigawatt‑timer per år av elbilbatterier, med mulighet til å utvide til 80 GWh per år.

Den plutselige oppskaleringen av QuantumScape‑produksjon ser ut til å være knyttet til Cobra, selskapets next‑generation fast‑tilstand‑batteri‑separatorutstyr, et gjennombrudd innen keramikkproduksjon.

Alt i alt bør Cobra integreres i produksjonen i 2025, og den første ferdige elbilen som bruker QuantumScape‑batterier bør produseres i 2026.

Kilde: QuantumScape

Dette kan være et vendepunkt for selskapet, 16 år etter grunnleggelsen, fra en lovende oppstartsbedrift med interessant IP til å generere økende inntekter fra et partnerskap med en av verdens største bilprodusenter.

I mellomtiden bør investorer fortsatt forvente noe volatilitet i aksjekursen, men med et lys i enden av produktutviklingsprosessen.

Siste nytt om QuantumScape

Studierreferanse:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 oktober 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17. juli 2024.}