Batterier med bikakestruktur: CATL:s utveckling av litiumjonteknik 2024

Batterier för att elektrifiera världen

Batterier är viktiga för elbilar, drönare och många andra produkter. De kan också ingå i nya transportsystem, men exempelvis Hyperloop och elektromagnetiska uppskjutningssystem för rymden är separata tekniska utvecklingsprojekt, inte redan etablerade batteritillämpningar.

Batterilager kan jämna ut skillnader mellan elproduktion och efterfrågan. Hur länge de kan ersätta sol- eller vindproduktion beror på lagrets kapacitet, effekt och elnätets övriga resurser.

För närvarande har batteritekniken drivits av litiumjonteknik, en upptäckt så viktig att den vann Nobelpriset i kemi 2019 (du kan läsa mer om historien bakom dess upptäckt i vår dedikerade artikel).

I vissa litiumbatterier kan metalliskt litium avsättas och växa till dendriter, exempelvis vid ogynnsamma laddningsförhållanden. Det sker inte oundvikligen vid varje cykel. Om avlagringar orsakar en intern kortslutning kan brandfarlig elektrolyt bidra till en farlig termisk reaktion.

Även LFP-batterier, med litiumjärnfosfat som katodmaterial, kan ha risker kopplade till exempelvis anod och elektrolyt. LFP skiljer sig samtidigt i värmestabilitet från andra katodkemier; alla litiumbatterier har inte samma riskprofil.

Andra alternativ är natriumjonbatterier och batterier med fast elektrolyt. Det senare innebär att elektrolyten är fast, inte att batteriet saknar elektrolyt.

CATL presenterade under 2024 flera olika produkter. Shenxing PLUS hade bland annat en bikakeliknande anodstruktur, medan TENER var ett separat energilagringssystem med ett påstående om fem år utan kapacitetsförlust. Produkterna och deras uppgifter ska hållas isär.

Resultaten visar fortsatt utveckling inom litiumjonteknik. De bevisar inte att alla batterier med fast elektrolyt har samma prestanda som de presenterade produkterna.

Bikakestruktur för högre energitäthet

När litiumjoner tas upp och lämnar ett elektrodmaterial kan dess volym förändras.

Upprepade volymförändringar kan belasta materialet och bidra till sprickor eller andra former av åldrande. Det är en av flera nedbrytningsmekanismer och inte samma process som att metalliskt litium avsätts på anoden.

Materialens mekaniska stabilitet är viktig även i batterier med fast elektrolyt. För Shenxing PLUS beskrev CATL en tredimensionell bikakeliknande struktur i anoden som en del av lösningen för hög energitäthet.

Bikakestrukturer har också undersökts i akademiska studier, bland annat i en artikel från 2020 om ett töjbart litiumjonbatteri. Det betyder inte att den studiens material eller tillverkningsmetod är identiska med CATL:s produkt.

Vid presentationen av Shenxing PLUS 2024 angav CATL upp till 600 km tillförd räckvidd på tio minuters laddning och över 1 000 km total räckvidd i relevanta fordons- och testförhållanden. Verklig räckvidd och laddtid beror bland annat på fordon, temperatur och laddare.

Uppgiften om 600 km på tio minuter kan inte räknas om linjärt till en full laddning på 16,6 minuter. Laddningshastigheten varierar under laddningen och kilometer är inte ett direkt mått på batteriets energiinnehåll.

Nytt densitetsrekord

CATL angav en energitäthet på 205 Wh/kg för Shenxing PLUS-systemet.

Det är ett värde på systemnivå och ska skiljas från energitätheten hos en enskild cell eller dess aktiva material. Räckvidden beror också på hur mycket energi fordonet förbrukar.

Den bikakeliknande anoden och andra förbättringar bidrog enligt företaget till prestandan. Den offentliga beskrivningen innebär inte att materialet aldrig ändrar volym eller spricker.

Jämförelser med andra tillverkares batterier kräver samma mätnivå, testförhållanden och produktstatus. En planerad cell kan inte utan vidare jämföras med ett färdigt system.

Tillverkningshemligheter

Företaget beskrev också optimerad partikelstorleksfördelning och nanometerinkapsling för katodmaterialet.

Andra åtgärder var snabbare litiumjontransport i ledande beläggningar. De korta produktbeskrivningarna visar inte att varje enskild nanopartikel kan placeras exakt eller att alla detaljer om tillverkningen är offentliga.

CATL har beskrivit hög automation i sin produktion. Ett fabriksmått som en cell per sekund är inte detsamma som en komplett fordonsbatterihållare eller ett färdigt batteripaket per sekund.

Akademisk forskning om bikakestrukturer visar hur geometri kan påverka vikt och mekanisk hållfasthet. Resultaten beror på material och belastningsriktning och kan inte automatiskt överföras till en kommersiell battericell.

En studerad grafenstruktur kan exempelvis motverka att kiselpartiklar klumpar ihop sig och underlätta elektrisk ledning och jontransport. Detta beskriver det undersökta materialet, inte en offentlig fullständig analys av CATL:s anod.

Det finns flera sätt att tillverka porösa kolstrukturer genom termisk och kemisk behandling. De visar möjliga metoder, men avslöjar inte i sig hur CATL tillverkar sin produkt.

Andra förbättringar

Förbättrad energi per massa eller volym kan göra en batterilösning lättare eller mindre för en given energimängd. Den verkliga fordonsvinsten beror också på säkerhetsmarginaler, kylning och konstruktion.

För Shenxing PLUS beskrev CATL också CTP 3.0, alltså cell-till-paket-teknik, och en förbättring av utrymmesutnyttjandet med 7%. Det ska inte blandas ihop med CTB, där batteriet integreras med bilens kaross.

Ytterligare funktioner var effektivare värmehantering och algoritmer för batteristyrning. De kan stödja effektivitet och säkerhet, men garanterar inte att alla fel eller risker försvinner.

Laddningsinfrastruktur

Snabbladdning kräver lämpliga laddstationer och tillräcklig elnätskapacitet. Behovet av stationer varierar också med hemmaladdning, trafikmönster och ort; nätet behöver inte ha exakt samma utformning som dagens bensinstationer.

Ett illustrativt 100 kWh-batteri som laddas med 4C kräver omkring 400 kW vid denna laddningsnivå, före hänsyn till förluster. Det är inte bevis för en full laddning på 16 minuter eller för en viss räckvidd; batteriets accepterade effekt varierar under förloppet.

CATL meddelade 2024 planer på ett Shenxing-nätverk för snabb laddning tillsammans med bland andra Star Charge, YKC och Shudao New Energy.

Företaget beskrev även planer på 600 serviceställen i 271 städer på prefekturnivå i 31 regioner på provinsnivå. Serviceställen för inspektion och underhåll är inte samma sak som 600 laddstationer.

Bortom LFP & EV

Storskalig nytta

CATL utvecklar också storskaliga energilager. Litiumjon- och natriumjonlösningar kan passa olika behov; det innebär inte att företaget har övergett den ena kemin för den andra.

Vid lanseringen av TENER i april 2024 uppgav CATL att systemet var utformat för fem år utan kapacitets- eller effektförlust. Det var ett produktpåstående, inte en redovisning av ett redan avslutat femårigt pilotprojekt.

CATL beskrev TENER med andra tekniska begrepp än Shenxing PLUS. Det finns inte stöd i dessa produktbeskrivningar för att slå fast att samma bikakestruktur används i båda.

Företaget hänvisade bland annat till stabila gränsskikt mellan elektrod och elektrolyt (SEI), biomimetiska jonkanaler och elektrolytteknik. Beskrivningen gällde hur litiumjonernas aktivitet och sidoreaktioner skulle hanteras; den betyder inte att batteriet saknar åldrande eller termiska risker under alla förhållanden.

Om prestandan håller i verklig drift kan den påverka livscykelkostnaden för energilager. Avsaknad av uppmätt kapacitetsförlust är dock inte samma sak som en fullständig säkerhetsbedömning. Andra lagringstekniker kan fortfarande vara lämpligare beroende på lagringstid, effektbehov, råvaror och kostnad.

Kondenserat tillstånd

CATL presenterade 2023 även ett så kallat kondenserat batteri. Det saknas offentligt underlag här för att koppla dess uppbyggnad direkt till Shenxing PLUS bikakestruktur.

För det kondenserade batteriet angav CATL upp till 500 Wh/kg på cellnivå. Det är inte direkt jämförbart med 205 Wh/kg på systemnivå för Shenxing PLUS.

De offentliggjorda teknikerna hade olika utvecklingsstadier och användningsmål. De ska inte behandlas som en prissatt, färdig produktserie med garanterade leveransdatum:

1. Kondenserade celler med ett angivet mål på upp till 500 Wh/kg, bland annat för forskning om elektrifiering av flyg.
2. Shenxing PLUS med angivna 205 Wh/kg på systemnivå och räckviddsuppgifter som beror på fordon och testförhållanden.
3. Natriumjonteknik för tillämpningar där bland annat kostnad, temperatur och tillgång till råvaror är viktiga.

Batterier med fast elektrolyt utvecklas parallellt. Vilken teknik som blir konkurrenskraftig avgörs av fler egenskaper än ett enstaka energitäthetsvärde.

Investera i avancerade batteriteknologier

Batterier är en viktig del av elektrifieringen, tillsammans med elproduktion, elnät och effektivare energianvändning. Teknikutveckling innebär samtidigt ekonomiska och industriella risker.

Du kan investera i batterirelaterade företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien samt många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika batteriföretag kan du också titta på batteri‑ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF. Fondernas innehav, avgifter och risker skiljer sig åt; exponering mot batteribranschen garanterar inte avkastning.

Avancerade batteriföretag

1. CATL (300750.SZ)

CATL var en ledande batteritillverkare 2024. Företagets andel av global batterianvändning i elfordon var omkring 36,8% år 2023 enligt de branschdata företaget hänvisade till, inte mer än hälften av alla världens batterier.

Bolaget har verksamhet inom flera delar av batterikedjan. En stark marknadsställning innebär dock inte att varje teknikannonsering redan har blivit en kommersiell framgång.

CATL har också tidigare meddelat imponerande framsteg inom flera andra batterityper:

• Energilagringsceller för vilka företaget tidigare angav upp till 12 000 cykler, med vidare utvecklingsmål. Cykellivslängd beror på testvillkor och användning.
• Den första Shenxing-generationens LFP-batteri, alltså litiumjärnfosfat, presenterades med upp till 700 km total räckvidd och 400 km på tio minuters laddning under angivna förhållanden.
• Kondenserade celler med upp till 500 Wh/kg som utvecklingssteg för bland annat elektrifierat flyg.
• Första generationens natriumjonceller med angivna 160 Wh/kg och ett senare utvecklingsmål på 200 Wh/kg. En cellpresentation är inte i sig bevis för bred massproduktion.

Källa: CATL

CATL tillkännagav en återvinningsinvestering på omkring 3,25 miljarder euro i Kina. Företagets angivna återvinningsgrader var 99,6% för nickel, kobolt och mangan samt 91% för litium. Planerad investering och rapporterad processprestanda är olika mått.

CATL:s storlek och forskning ger en viktig roll i tillverkning och återvinning, men framtida marknadsandelar och lönsamhet är osäkra.

Detta gör dem till en nyckelpartner för elbilstillverkare, inklusive Tesla (TSLA ), NIO, Ford och Stellantis. Avtal, kundrelationer och tekniska samarbeten har olika omfattning och ska inte alla kallas samma slags strategiska allians.

Kunskap från en batterikemi kan ibland hjälpa utvecklingen av en annan. Det finns däremot inte stöd för att lova att samma bikake- eller kondenserade konstruktion snart kommer i natriumjonbatterier. Skalfördelar varierar med produkt och process.

2. BYD (BYDDY)

BYD utvecklades från batteritillverkare till en stor tillverkare av laddbara fordon, med både batterielbilar och laddhybrider i utbudet.

Jämförelser med Tesla måste skilja mellan rena batterielbilar och summan av batterielbilar och laddhybrider. BYD hade 2024 försäljning på flera exportmarknader, men företaget var inte automatiskt marknadsledare i alla länder som nämndes.

Kina passerade Japan som största bilexportör 2023. BYD bidrog till exporten och annonserade internationell expansion, bland annat en fabrik i Ungern. Det var inte den enda orsaken till Kinas exportutveckling.

BYD Seagull såldes i Kina till låga lokala priser. Modellen använde Blade-batterier med LFP-kemi, inte natriumjonbatterier. Kinesiska priser kan inte jämställas med priser efter frakt, skatt och anpassning på andra marknader.

BYD konkurrerar också med CATL inom LFP. De angivna andelarna 41,1% respektive 33,9% avsåg en viss kinesisk LFP-marknad och period, inte hela världsmarknaden för batterier.

Tullar och handelspolitiska åtgärder i bland annat EU och USA kan påverka expansionen. Situationerna skiljer sig mellan marknader, och BYD hade inte samma personbilsförsäljning i USA som i Europa.

Andra exportmarknader har olika efterfrågan, regler och lokal fordonsindustri. Sydamerika, Afrika och Sydostasien ska inte behandlas som en enda marknad utan handelshinder.

En stor befolkning innebär inte lika många möjliga bilköpare. Inkomstnivåer, laddning, konkurrens och handelspolitik påverkar försäljningen, och framtida tullar kan inte uteslutas genom antaganden om geopolitik.

Lokal produktion kan förändra kostnader och handelshinder, men fabriksplaner måste skiljas från anläggningar som faktiskt är i drift. BYD:s konkurrenskraft beror på prissättning, regler, efterfrågan och kostnader i varje marknad.