Anodfria natriumfastbatterier kan reducera beroendet av ‘litiumtriangeln’

De många sätten att tillverka en batteri

Batteritillverkare innoverar ständigt i en kapplöpning för att skapa den bästa tekniken. Under de senaste åren har detta drivits av incitamentet att erövra den alltmer växande elbilsmarknaden och den nybildade men ännu snabbare växande marknaden för batterier i stor skala.

Förut byggde batterier på litiumjon-teknik, men nu tittar man bortom denna design för att lösa problemen med Li-jon: för dyrt, använder sällsynta metaller, brandrisker etc.

Källa: Research Gate

En sådan alternativ är natriumjon, som använder natrium istället för litium till priset av lägre energitäthet.

Ett annat alternativ är fast tillstånds batterier. Genom att ta bort behovet av elektrolyter kan de vara tätare och kräva mindre av dem för samma elbilsprestanda. Fast tillstånds batterier bör också vara mycket snabbare att ladda.

Andra mer djärva tillvägagångssätt ändrar inte bara kemien utan batteriets struktur. Framför allt tar anodfria batterier bort en del av batteriet helt.

Forskare ser nu på att kombinera dessa tillvägagångssätt tillsammans, särskilt med den nyliga publiceringen av en design för världens första anodfria natriumfastbatteri.

Anodfri natriumfastbatteri

Publicerad i Nature Energy under titeln ”Designprinciper för att möjliggöra ett anodfritt natriumallfastbatteri”, har forskarna från University of California och University of Chicago inte bara skapat ett fast tillstånds batteri, utan ett som använder natrium istället för litium, och utan ens en anod.

Natriumbatteri

Natrium är en mycket vanlig jon, i princip obegränsad i mängd i havet, 1 000 gånger mer förekommande i jordskorpan än litium. Detta gör det till ett mycket bra alternativ till litium.

Det är viktigt eftersom litium möter flera begränsningar på grund av elbilsboomen:

• Det är för dyrt, vilket gör elektrifieringen själv för dyr.
• Dess utvinning är miljöskadlig.
• Det produceras bara på ett fåtal platser i världen och mestadels raffineras i Kina, vilket skapar geopolitiska risker.

Eftersom det är så allomfattande och rikligt förekommande är det mycket osannolikt att natrium någonsin kommer att uppleva den prisinstabilitet och brist som litium upplevde under de senaste åren.

Problemet är att natriumbatterier vanligtvis inte är tillräckligt täta för att kunna konkurrera med litiumbaserade batterier, förutom för billiga elbilsmodeller.

Anodfritt batteri

Vanligtvis har ett batteri en anod som lagrar jonerna medan batteriet laddas. De flödar sedan tillbaka mot katoden när batteriet släpper ut sin energi.

Anodfria batterier lagrar istället jonerna i en elektrokemisk avsättning av alkalimetall direkt på strömcollectorn.

Detta möjliggör högre cellspänning, lägre cellkostnad och ökad energitäthet.

Källa: University Of Chicago

Problemet med en anodfri design är att strömcollectorn tenderar att se en avsättningsuppbyggnad från den flytande elektrolyten, vilket kan skada batteriet.

Fast tillstånds batteri

Fast tillstånds batterier har länge förväntats vara den “slutliga” formen av batteribaserad energilagring, särskilt för applikationer som kräver mycket hög täthet och mobilitet.

Att ta bort elektrolyten minskar den totala batterivikten och gör batteriet mycket snabbare att ladda och urladda.

Problemet med dessa design är vanligtvis att hantera att ha ett tillräckligt fast system, eftersom metaller tenderar att svälla när de laddas.

Dessutom är problemet med att odla dendriter som kan skapa kortslutningar (och därmed brand) alltid närvarande, liksom med litiumjonbatterier.

Anodfri natriumfast

I sammanhanget med en anodfri design är ett ytterligare problem att en klassisk fast elektrolyt inte kan interagera korrekt med strömcollectorn.

Forskarna löste detta problem genom att använda aluminiumpulver som strömcollector, som är ett fast material som kan flöda som en vätska.

Källa: University Of Chicago

Många fördelar

Genom att vara fast förhindrar aluminiumelektrolyten också bildandet av dendriter, den främsta orsaken till för kort livslängd hos fast tillstånds batterier.

Det ger också en stabil gränssnitt och undviker att se en del av natrium otillgängligt för strömmen, vilket skulle minska batterikapaciteten.

Slutligen möjliggör det hög energitäthet, med de olika alternativen för detta natriumfastbatteri som alla ligger inom 200-400 Wh/kg täthet.

Källa: University Of Chicago

Även om detta är en aning lägre än litiumbaserade fast tillstånds batterier, är det fortfarande mycket starkare än de batterier som används idag. Kombinerat med ekonomiska fördelar av mycket billigare material, med natrium och aluminium som ersätter litium, kobolt och nickel, kan det vara en vinnande kombination.

Kraften av kombination

Även för bara några år sedan var idén om natriumbatterier, eller anodfria batterier, bara ett koncept som många tvivlade på skulle nå en kommersiell fas. Samma sak kan sägas om fast tillstånds batterier.

Detta förändras snabbt för var och en av dessa kategorier, liksom för många andra potentiella kemier och design som vi undersökt i våra artiklar “Framtiden för energilagring – batterier för stor skala” och “Framtiden för mobilitet – batteriteknik”.

Det verkar som att vi går in i en ny fas, där forskare nu tittar på alla dessa beprövade batterikoncept och börjar slå samman dem.

Förvånansvärt kan det hjälpa till att övervinna de individuella begränsningarna för varje idé.

I det här fallet löser både fast tillstånds batteriers dendritproblem och anodfri designens problem med avsättning på strömcollectorn genom att använda aluminiumpulver.

Aluminiumpulver ensamt i en anodfri design skulle fortfarande ge för låg täthet.

Aluminiumpulver i fast tillstånds batterier skulle inte vara tillräckligt billigt utan att använda natrium.

Samtidigt är natrium billigt men inte tillräckligt tätt för att möta kraven för mobilitet.

Så det verkar som att kombinera olika designelement kan hjälpa till att samla deras respektive fördelar samtidigt som de tar bort eller åtminstone dämpar deras individuella problem, skapar en mycket större uppsättning av framtida möjligheter för innovativa batterikemier än vad som tidigare trott.

Natriumbatteriföretag

1. CATL

CATL är den globala ledaren inom batteritillverkning, producerar mer än hälften av den globala batterivolymen. Företaget är närvarande i varje steg av batteritillverkningens försörjningskedja och är en ledare inom batteriteknik.

Detta gäller för litiumjonbatterier, där företaget har varit en etablerad ledare under lång tid. CATL har också meddelat imponerande framsteg inom flera andra batterityper :

• En 12 000-cykler ultralånglivsbatteri för energilagring i stor skala, med 18 000 cykler som ett långsiktigt mål.
• En 700 km LFP (Lithium Ferrum Phosphate) batteri som laddar 400 km räckvidd på 10 minuter.
• En 500 Wh/kg, som potentiellt kan möjliggöra elektrifiering av passagerarflygplan.
• Massproduktion av 160 Wh/kg natriumjonbatterier, med ett mål på 200 Wh/kg.

Källa: CATL

Företaget är aktivt i marknaden för batterier i stor skala, med tillkännagivandet av dess TENER-systemprestanda. Det är “världens första massproducerade energilagringssystem med noll degradering under de första fem åren av användning i Peking, Kina”.

Enorm energi i ett kompakt utrymme: 20-fots container med 6,25 MWh kapacitet

Driven av banbrytande tekniker och extrema tillverkningsförmågor har CATL löst utmaningarna som orsakats av högt aktiva litiummetaller i nolldegraderingsbatterier, vilket effektivt hjälper till att förhindra termiskt överföring orsakat av oxideringsreaktioner.

CATL har också investerat 3,25 miljarder i batteriåtervinningskapacitet i Kina. CATL har bland annat uppnått en imponerande återvinningsgrad på 99,6% för nickel, kobolt, mangan och 91% för litium.

Tack vare sin skala, fokus och FoU-prestationer är CATL sannolikt att ligga i framkanten av batteriinnovation, tillverkning och återvinning. Detta gör det till en nyckelpartner för elbilstillverkare, inklusive Tesla, NIO, Ford, Stellantis etc.

2. BYD

En långvarig utmanare till Tesla på elbilsmarknaden, BYD har blivit en allvarlig konkurrent inte bara till Tesla utan till praktiskt taget alla biltillverkare.

Företaget utvecklades från sin ursprungliga roll som leverantör av mobilbatterier till att sälja nästan lika många elbilar som Tesla i Kina (världens största elbilsmarknad) och vara den bäst säljande elbilen i Thailand, Sverige, Australien, Nya Zeeland, Singapore, Israel och Brasilien.

BYD är en stor del av varför Kina plötsligt blev världens största bilexportör 2023, och överträffade Japan. Företagets aggressiva utvidgning utomlands backas också upp av nya fabriker, som i Ungern.

Och med lanseringen av bilar för 10 000-12 000 dollar, som Seagull, som använder natriumbatterier, kan en helt ny marknad öppnas för BYD:s elbilar.

Källa: By User3204 – Eget arbete, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Fortfarande i sin kärna en batteritillverkare, är BYD en allvarlig utmanare till CATL på LFP-batterimarknaden, med en marknadsandel på 41,1% i Kina (jämfört med CATL:s 33,9%).

”Floden” av billiga elbilar producerade av BYD som kommer in på den europeiska och amerikanska marknaden kommer troligen att mötas med någon form av skyddism (även ovanför de nyligen införda tullarna), som kan hämma BYD:s tillväxt.

Men samtidigt är billiga kinesiska elbilar redan en stor framgång i resten av världen, som inte har några inhemska biltillverkare att skydda, inklusive hela Sydamerika, Ryssland, Afrika, Mellanöstern och Sydostasien.

Detta representerar flera miljarder potentiella kunder för BYD, som bor i länder som vill upprätthålla en geopolitisk balans och vara på goda villkor med både väst och Kina, så det är osannolikt att skapa alltför starka skyddistiska barriärer.

Och även i EU eller USA kan BYD förbli konkurrenskraftig, tack vare de mycket högre priserna för lokala elbilstillverkare jämfört med priser i Kina, samt lokal produktion utanför Kina för dessa marknader, som till exempel i Östeuropa, Mexiko eller Turkiet.