Energi

Anodfria natriumbatterier med fast elektrolyt kan minska beroendet av litiumtriangeln

mm
Publicerad
Uppdaterad
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Information: Securities.io kan få ersättning när du använder länkar till produkter vi granskar. Det påverkar inte våra redaktionella bedömningar. Vi är inte registrerad investeringsrådgivare; detta är inte investeringsråd. Läs vår affiliateinformation.

De många sätten att tillverka ett batteri

Batteritillverkare utvecklar ständigt nya lösningar. Under senare år har både elfordon och storskalig energilagring drivit efterfrågan och forskningen.

Litiumjonbatterier dominerar många tillämpningar, men alternativa kemier och konstruktioner undersöks för att minska kostnader, råvaruberoende och säkerhetsrisker. Egenskaperna varierar mellan batterityper.

Ett alternativ är natriumjonbatterier, där natrium ersätter litium. De har vanligtvis lägre energitäthet, men kan erbjuda andra kostnads- och materialfördelar.

Ett annat alternativ är fasttillståndsbatterier. Där ersätts den flytande elektrolyten med en fast elektrolyt; elektrolyten försvinner alltså inte. Vissa konstruktioner kan ge högre energitäthet eller snabbare laddning, men det är ingen allmän garanti.

Andra angreppssätt ändrar också batteriets konstruktion. Anodfria celler saknar ett på förhand installerat aktivt anodmaterial, men en metallanod bildas under laddning.

Forskare har kombinerat dessa idéer i en experimentell anodfri natriumcell med fast elektrolyt.

Anodfritt natriumbatteri med fast elektrolyt

Studien publicerades i Nature Energy med titeln ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”. Forskarna vid University of California San Diego och University of Chicago utvecklade en cell som kombinerar natrium, fast elektrolyt och en anodfri utgångskonstruktion.

Natriumbatteri

Natrium är mycket rikligare i jordskorpan än litium och förekommer även i havsvatten. Det gör natrium intressant som batteriråvara. Utvinning och framställning av batterikvalitet kräver dock fortfarande resurser.

Den växande efterfrågan på elfordon har gjort flera begränsningar i litiumförsörjningen tydliga:

  • Råvarupriser och batterikostnader kan göra elektrifieringen dyrare.
  • Utvinningen kan medföra betydande miljöpåverkan.
  • Utvinning och förädling är geografiskt koncentrerade, med en stor del av förädlingen i Kina, vilket skapar försörjningsrisker.

Natriums rikliga tillgång kan minska vissa råvarurisker. Det innebär inte att natriumbatterier aldrig kan drabbas av prisvariationer eller flaskhalsar i försörjningskedjan.

Natriumjonbatterier har ofta lägre energitäthet än litiumjonbatterier. Därför kan de vara särskilt intressanta när kostnad och råvarutillgång väger tyngre än låg vikt, exempelvis i vissa mindre fordon och stationära lager.

Anodfritt batteri

I många laddningsbara batterier lagras joner i anodmaterialet under laddning. Under urladdning rör de sig tillbaka mot katoden genom elektrolyten, medan elektroner går genom den yttre kretsen.

En anodfri cell saknar initialt ett separat aktivt anodmaterial. Under laddning avsätts natriummetall direkt på strömkollektorn, och metallen fungerar då som anod.

Det kan minska mängden inaktivt material och ge fördelar för kostnad eller energitäthet. Cellspänning och praktiska prestanda beror på hela konstruktionen.

En utmaning är att få jämn metallavsättning och god kontakt med strömkollektorn. Instabila gränsytor, ojämn avsättning och natrium som inte längre deltar i reaktionen kan försämra cellen.

Fasttillståndsbatteri

Fasttillståndsbatterier är ett aktivt forskningsområde för bland annat energität lagring i fordon. De är inte en slutgiltig lösning som automatiskt överträffar alla andra batterier.

En fast elektrolyt kan möjliggöra andra elektrodmaterial och konstruktioner. Vikt, laddningshastighet och säkerhet måste dock bedömas för den färdiga cellen.

En viktig utmaning är att bibehålla god kontakt mellan fasta material när elektrodernas volym förändras under laddning och urladdning.

Metalliska utväxter, så kallade dendriter, kan också orsaka interna kortslutningar. En fast elektrolyt undanröjer inte automatiskt denna risk.

Anodfri konstruktion och fast elektrolyt

I anodfria fasttillståndsceller är kontakten mellan elektrolyten och strömkollektorn särskilt viktig för jämn avsättning och upplösning av natrium.

Forskarna använde aluminiumpulver som strömkollektor. Pulvret pressas samman vid tillverkningen och kan anpassa kontaktytan. Det är varken en flytande elektrolyt eller smält aluminium.

Många fördelar

Aluminiumströmkollektorn bidrog till en jämnare gränsyta i den undersökta konstruktionen. Aluminiumet är inte elektrolyten, och resultatet innebär inte att alla dendritproblem i fasttillståndsbatterier har lösts.

En stabil kontakt kan minska mängden natrium som blir elektriskt isolerad och därmed inte längre bidrar till cellens kapacitet.

Studien diskuterar konstruktioner med beräknad specifik energi i intervallet 200–400 Wh/kg. Detta ska inte läsas som uppmätt energitäthet hos ett kommersiellt batteripaket.

Kombinationen av natrium och aluminium kan ge intressanta material- och kostnadsfördelar. Jämförelser med litiumbatterier kräver dock samma systemnivå och hänsyn till övriga material, livslängd och tillverkningskrav.

Kraften i kombinationen

Natriumjonbatterier, anodfria konstruktioner och fasttillståndsbatterier befinner sig på olika utvecklingsnivåer. Natriumbatterier har nått tidig kommersialisering, medan många av de kombinerade konstruktionerna fortfarande är forskningsprojekt.

Utvecklingen omfattar många kemier och konstruktioner som vi också beskriver i artiklarna ”Framtidens energilagring – batteriteknik för storskaliga system” och ”Framtidens mobilitet – batteriteknik”.

Forskarna prövar nu hur olika utvecklingsspår kan kombineras. Att enskilda komponenter fungerar innebär dock inte att hela systemet redan är kommersiellt bevisat.

En genomtänkt kombination kan minska vissa begränsningar, men kan också skapa nya avvägningar.

I denna studie förbättrade aluminiumpulvret kontakten och natriumavsättningen i den undersökta cellen. Det visar en möjlig väg framåt, inte en universell lösning på dendriter eller åldrande.

En strömkollektor av aluminiumpulver ger inte ensam hög energitäthet; övriga komponenter och deras dimensionering är avgörande.

Kostnaden beror på hela materialvalet och tillverkningsprocessen. Det är inte visat att aluminium i alla fasttillståndsbatterier skulle vara för dyrt utan natrium.

Natrium kan minska råvarukostnader, men batteriets användbarhet i fordon beror även på energitäthet, livslängd, temperaturtålighet och laddning.

Att kombinera flera konstruktionsidéer kan alltså öppna nya möjligheter. Resultaten behöver fortfarande skalas upp och verifieras under praktiska förhållanden.

Natriumbatteriföretag

1. CATL

CATL är en av världens största batteritillverkare. Företagets andel av den globala marknaden för installerade elfordonsbatterier var omkring 36,8 procent 2023, inte mer än hälften av all global batteriproduktion. CATL arbetar med flera delar av värdekedjan.

Utöver litiumjonbatterier har företaget presenterat utveckling inom flera batterityper och system:

Källa: CATL

CATL presenterade energilagringssystemet TENER i Peking i april 2024. Företaget beskrev det som ”världens första massproducerbara energilagringssystem med noll kapacitetsförsämring under de första fem åren”. Detta är ett tillverkarpåstående under angivna villkor, inte fem års avslutad kommersiell drift vid lanseringen.

CATL anger en kapacitet på 6,25 MWh i en 20-fotscontainer. Företaget hänvisar till material- och tillverkningsutveckling för att begränsa åldrande och förbättra säkerheten. Det ska inte tolkas som att risken för termisk rusning helt har eliminerats.

CATL tillkännagav 2023 en investering på cirka 3,25 miljarder euro i återvinningskapacitet i Kina. Företaget uppger återvinningsgrader på 99,6 procent för nickel, kobolt och mangan samt 91 procent för litium.

CATL:s skala och forskning gör företaget till en viktig leverantör för fordonstillverkare, däribland Tesla (TSLA ), NIO, Ford och Stellantis. Det garanterar inte framtida tekniskt eller kommersiellt ledarskap.

2. BYD

BYD har blivit en betydande tillverkare av elfordon och en konkurrent till Tesla och andra bilmärken.

Företaget började som batterileverantör och har utvecklat en stor fordonsverksamhet med både batterielektriska bilar och laddhybrider. Försäljningsjämförelser med Tesla måste skilja på dessa kategorier och ange marknad samt tidsperiod. BYD:s position varierar mellan länder.

Kina blev världens största bilexportör 2023. BYD är en del av den utvecklingen och har planerat utbyggd produktion utanför Kina, bland annat i Ungern. Ett tillkännagivet fabriksprojekt är inte samma sak som en anläggning i full drift.

BYD Seagull har erbjudits till låga priser på den kinesiska marknaden, omkring 10 000–12 000 dollar beroende på version, tidpunkt och växelkurs. Modellen använder LFP-batterier av Blade-typ, inte natriumbatterier.

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

BYD är också en stor batteritillverkare och konkurrent till CATL inom LFP. De marknadsandelar på 41,1 respektive 33,9 procent som återges i underlaget avser ett begränsat marknadssegment och en viss period; de är inte globala andelar av alla batterier.

Billigare kinesiska elfordon har mött handelspolitiska åtgärder i bland annat EU och USA. Tullar och andra regler kan påverka BYD:s expansion och lönsamhet.

BYD har även expanderat på andra marknader. Sydamerika, Afrika, Mellanöstern och Sydostasien har dock olika regler, inhemska industrier och handelsförhållanden; de kan inte behandlas som en enda skyddslös marknad.

Stora befolkningar innebär inte automatiskt lika många möjliga bilköpare. Inkomster, laddinfrastruktur, konkurrens och politiska beslut påverkar efterfrågan och marknadstillträdet.

Lokal tillverkning kan förändra kostnader och handelshinder. Under 2024 fanns projekt i Ungern och ett investeringsavtal i Turkiet, medan Mexiko diskuterades som en möjlig etablering. Alla dessa platser hade inte BYD-bilfabriker i drift.

mm

Jonathan är en tidigare biokemistforskare som arbetade med genetisk analys och kliniska prövningar. Han är nu en aktieanalytiker och finansskribent med fokus på innovation, marknadscykler och geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.