Designa ett bättre batteri – Ut med kobolt och in med…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently utvecklat a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

Batteriers betydelse

Med ökningen av elbilar (EVs) – till stor del tack vare amerikanska Tesla och kinesiska BYD och CATL – har batteriteknik blivit viktigare än någonsin eftersom den är relevant inte bara för elektronik, utan också för mobilitet. Och snart även för elnätet, för att balansera intermittensen hos förnybara energier som vind och sol.

Global EVs sales – Source: IEA

Än idag är den dominerande kemin för batterier litiumjonteknik. Detta beror på att dessa batterier har en av de högsta energitätheterna när de mäts i kW/kg. Detta mått är långt det viktigaste i mobilitetsapplikationer, eftersom varje extra kilo batteri innebär ett behov av mer batteri och/eller kortare räckvidd.

Så, eftersom elbilar har visat sig vara den sannolikt viktigaste framtida tekniken för bilar (och kanske lastbilar och till och med flygplan), har betydande ansträngningar gjorts för att förbättra batteritekniken.

Ge upp litiumjon?

Även om de är mycket täta, är traditionell litiumjonteknik inte utan brister. Det finns en lista med problem som måste lösas:

• Densiteten är fortfarande relativt låg jämfört med flytande bränslen som bensin och diesel, vilket orsakar räckviddsångest.
• Laddning kan vara något långsam, vilket är ett problem för många förare och kommersiella tillämpningar.
• Batterier är dyra, främst på grund av behovet av dyra mineraler.
  • Detta gjorde att elbilar initialt var mer en lyxvara än en vanlig konsumentvara.
  • Bergbrytning av dessa mineraler är sällan miljövänlig och går ofta hand i hand med fruktansvärda arbetsförhållanden och exploatering av fattiga arbetare eller barn i gruvor, särskilt i fallet med kobolt i Kongo.

Som ett resultat har många alternativa kemier övervägts. Detta inkluderar, men är inte begränsat till,

• LFP (litiumjärn/järnfosfat)
• natriumjon
• fasttillståndsbatterier
• litium-svavel
• grafen
• glasbatterier

Oxidationen av aluminium har till och med diskuterats som ett alternativ till batterier helt och hållet. Dock har alla dessa alternativ sina begränsningar. Detta kan inkludera kortare livslängd, tillverkningssvårigheter, osv.

(Vi diskuterade i detalj fördelarna och begränsningarna med var och en av dessa teknologier i vår artikel “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik“).

De mest lovande, som fasttillståndsbatterier, är fortfarande i ett experimentellt stadium, och de som är redo för kommersialisering, som LFP och natriumjon, lider av lägre energitäthet än litiumjon.

Det finns sannolikt en marknad för dessa batterier med lägre densitet, eftersom de också är mycket billigare att producera. Det kinesiska företaget CATL (300750.SZ), som producerar mer än hälften av planetens batterier, är bland ledarna inom detta område. Vi diskuterade de ledande batteritillverkarna i vår artikel “Topp 10 batteriaktier att investera i”.

Ändå, i slutändan skulle den idealiska elbilen ha ett billigt OCH kraftfullt batteri. Denna kombination kommer sannolikt att krävas för att helt ersätta förbränningsmotorn, särskilt för kommersiella tillämpningar.

Problemet med litiumjonkatoden

De flesta begränsningarna med litiumjon kommer från de kemiska och fysiska egenskaperna hos batteriets katoddel. Det är katoden som vanligtvis kräver kobolt, och även i potentiella alternativ utan kobolt förlitar den sig ofta starkt på andra dyra metaller som nickel och magnesium.

(De metaller som krävs för övergången till elbilar och förnybar energi diskuterades vidare i vår artikel “Topp 10 batterimetaller & gruvaktier för förnybar energi“).

Dessa metaller måste brytas, orsakar föroreningar och arbetsförhållandena är ofta fruktansvärda. De är också giftiga, vilket gör återvinning av batterier till en mer komplicerad uppgift.

Source: Visual Capitalist

Forskare har tittat på kolbaserade alternativ, eller de så kallade organiska katoderna. Hittills har detta varit ganska misslyckat, eftersom organiska katoder antingen har haft för låg energitäthet eller inte varit tillräckligt hållbara för att användas i de frekventa laddnings‑urladdningscyklerna hos elbilar.

Detta kan ha förändrats, tack vare den ovan nämnda upptäckten av MIT-forskare.

En ny typ av organisk katod

Prof. Mircea Dincă, verksam som W.M. Keck Professor of Energy vid MIT, har nyligen utforskat nya organiska föreningar som tidigare inte testats för katodapplikationer. Istället för de tidigare utforskade organosulfid- och karbonylföreningarna, tittade han på en förening kallad TAQ (bis‑tetraaminobenzoquinon). Hans team hade tidigare demonstrerat potentialen för denna kemikalie som ett superkondensatormaterial.

TAQ har stor potential för användning i batterier, eftersom den bildar “lagerade fasttillståndsstrukturer som potentiellt kan konkurrera med traditionell koboltbaserad katodprestanda.“

I sig självt skulle detta inte ha varit tillräckligt. MIT-forskarna fann också hur man förbättrar vidhäftningen av TAQ till katodens rostfria stålströmsamlare, vilket förbättrar stabiliteten hos den nya bevis‑på‑koncept‑katodprototypen.

Genom att tillsätta cellulosa‑ och gummiinnehållande material till TAQ uppnådde de säkert mer än 2 000 laddnings‑urladdningscykler. Energitätheten var också högre än med koboltbaserade katoder, och laddningen tog mindre än 6 minuter.

Vad blir nästa?

Detta är för närvarande en laboratorieprototyp, och ytterligare arbete krävs för att skala upp den till full storlek för ett EV‑batteripaket – samt ytterligare ansträngning för att se hur man kan skapa en skalerad tillverkningsprocess för denna nya batterikemi.

Ändå är detta bland de första gångerna som en organisk katod har överträffat koboltbaserade litiumjon‑designer på varje viktig metrisk: energitäthet, materialkostnad och laddningshastighet.

Detta visar att litiumjon‑kemi kan förbli den dominerande batterikemin, så länge den kan lösa sitt beroende av metaller som orsakar etiska och miljömässiga problem.

En annan sak som forskningen av Prof. Dincă bevisar är att organiska katoder har stor potential, med potentiellt tusentals andra organiska föreningar som ännu inte har testats för denna tillämpning. Så även om TAQ visar sig otillräcklig för att ersätta kobolt och nickel, kan andra kemikalier liknande TAQ uppnå det.

Litiumjon‑designer drar också nytta av en enorm befintlig leveranskedja och tillverkningsbas. Och det skulle vara mycket enklare att bara byta katod än att bygga om batterifabriker från grunden för att rymma nya kemier. Så att förbättra litiumjon kan vara mycket meningsfullt ur ett affärsperspektiv.

Det är också värt att notera att organiska katoder har diskuterats för andra typer av batterier, till exempel för aluminium‑jon, natrium-/kalium‑jon, zink eller kalcium‑baserade dual‑jon‑batterier. Så det är möjligt att upptäckten av TAQ:s egenskaper kan tillämpas på andra batterityper än litiumjon.

I vilket fall som helst kommer organiska komponenter i batterier att göra dem lättare att återvinna, ett problem (en investeringsmöjlighet) som vi utforskade ingående i vår artikel “Att hantera Li‑ion‑dilemmat: Bortskaffande av defekta battericeller i en alltmer elektrifierad värld“.

Företag med organiska katoder

Volkswagen AG

Forskningen av Prof. Mircea Dincă finansierades av Automobili Lamborghini S.p.A., ett dotterbolag till Audi, som ägs av Volkswagen Group. En patentansökan för den organiska katodtekniken har redan lämnats in.

Den tyska biltillverkaren är den näst största bilproducenten i världen, bara efter Toyota. Företaget låg ett tag efter inom EV‑teknik men har arbetat hårt för att komma ikapp, särskilt med ID‑bilserien och flera hybridmodeller.

Source: Volkswagen

Till 2033 planerar Volkswagen Group att endast producera elbilar i Europa.

Detta samarbete med MIT-forskarna är bara ett av många, med andra partnerskap kring elbilar inklusive:

• Ett partnerskap med Renault för en 20 000‑euro‑elbil.
• En investering på 700 M$ i det kinesiska företaget Xpeng för att öka elbilsförsäljningen i Kina.
• Ett partnerskap med det kinesiska företaget SAIC Motor för att leverera EV‑plattformar till Volkswagen.
• Ett partnerskap med Jetta Motor för att förvärva EV‑teknik.
• Ett partnerskap på 492 M$ med Magna för att återuppliva de ikoniska Scout‑SUV:arna som en elbil

Med sina ambitiösa planer kring elbilar och tillgång till avancerad EV‑teknik från ledande kinesiska företag, befinner sig Volkswagen i en god position att titta på MIT:s patenterade organiska katodteknik och arbeta med att implementera den i stor skala i sina framtida elbilar.

Andra företag med organiska batterier

Även om de inte utvecklar nya katoder, arbetar två startups med att använda organiska föreningar för att förbättra anodprestanda, Store Dot och EnergyX.