Nobelpriser

Investera i Nobelpristagarnas prestationer: Litiumjonbatterier för att driva världen

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.

Historia om Nobelpriset

Nobelpriset är det mest prestigefyllda priset inom den vetenskapliga världen. Det skapades enligt Alfred Nobels testamente för att ge ett pris “till dem som under det föregående året har gjort den största nyttan för mänskligheten” inom fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur och fred. Ett sjätte pris skapades senare för ekonomiska vetenskaper av Sveriges riksbank.

Beslutet om vem som ska tilldelas priset fattas av flera svenska akademiska institutioner.

Arv och bekymmer

Beslutet att skapa Nobelpriset kom till Alfred Nobel efter att han läste sin egen dödsannons, efter ett misstag av en fransk tidning som missförstod nyheten om hans brors död. Artikeln med rubriken “Dödsfallet för dödsbringaren” kritiserade Nobel för hans uppfinning av rökfria sprängämnen, där dynamiten var den mest kända.

Hans uppfinningar hade stor inverkan på modern krigföring, och Nobel köpte en massiv järn- och stålfabrik för att göra den till en stor vapentillverkare. Eftersom han först var kemist, ingenjör och uppfinnare insåg Nobel att han inte ville bli ihågkommen som en man som tjänade en förmögenhet på krig och andras död.

Nobelpriset

Idag förvaras Nobels förmögenhet i en fond som investeras för att generera intäkter till Nobelstiftelsen samt den guldbelagda gröna medaljen, diplom och penningpriset på 11 miljoner SEK (ungefär 1 miljon USD) som tilldelas vinnarna.

Källa: Britannica

Ofta delas Nobelprispengarna mellan flera vinnare, särskilt inom vetenskapliga fält där det är vanligt att 2 eller 3 ledande personer bidrar tillsammans eller parallellt till ett banbrytande upptäckt.

Genom åren har Nobelpriset blivit DET vetenskapliga priset, som försöker balansera mellan teoretiska och mycket praktiska upptäckter. Det har belönat prestationer som byggt grunden för den moderna världen som radioaktivitet, antibiotika, röntgenstrålar eller PCR, samt grundläggande vetenskap som solens energikälla, elektronens laddning, atomstruktur eller superfluiditet.

Ett batteri som driver allt

Idag verkar elektrifieringen vara en ostoppbar trend som tar över våra energisystem och ersätter fossila bränslen, från elbilar till värmepumpar. Inget av detta skulle ha varit möjligt utan framväxten av batterier som är radikalt kraftfullare än tidigare konstruktioner baserade på metall och syra.

Batterier, som ett generellt koncept, fungerar genom att lagra elektricitet och släppa tillbaka den. Medan vissa batterier är engångsbruk är de mest användbara batterierna uppladdningsbara. Under en mycket lång tid var bly-syrabatteriet, uppfunnet i mitten av 1800‑talen, den dominerande formen av uppladdningsbart batteri tack vare sin låga kostnad och robusthet.

På sin enklaste nivå fungerar bly-syrabatterier genom att föra svaveljoner från syran till blyatomerna vid laddning och återställa denna reaktion vid urladdning.

Källa: PV Education

Denna konstruktion förblev det dominerande batteriformatet men var begränsad av flera problem:

  • Tung vikt
  • Frätande material.
  • Relativt kort livslängd med endast några hundra till ett tusen cykler.
  • Självurladdning över tid.
  • Begränsad energilagring/energitäthet.

Alla dessa begränsande faktorer gjorde bly-syrabatteriet till ett bra alternativ för lågspänningsapplikationer som att driva gnistor och radio i en bensinbil. Men allt som krävde mer, från elektronik till att ersätta fossila bränslen, skulle inte fungera med denna batterityp.

Detta förändrades tack vare det kombinerade arbetet av tre olika forskare, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino. Tillsammans vann de Nobelpriset i kemi 2019 för sitt bidrag till skapandet av litiumjonbatteriet.

Källa: Nobel Prize

Idag har litiumjonbatterier gått från att driva datorer, smartphones och reservkraftbanker till elbilar, elnät och kanske snart även flygplan.

Lithiums unika elektriska egenskaper

Litium upptäcktes först 1817 av svenska kemister. Det är det lättaste fasta grundämnet, med atomnummer 3 (endast 3 protoner i kärnan).

Källa: Medium

Litiumatomens lilla storlek betyder att de bara har en elektron i sitt yttre skal, och när denna elektron flyttas till en annan atom ger det dem en enorm elektrisk potentialförändring per atom.

Denna extrema reaktivitet är idealisk för batterianvändning, men medför också vissa faror. På grund av elementets höga reaktivitet finns risken att rent litium kan självantända när det kommer i kontakt med vatten eller luft. Detta liknar metalliskt natrium eller magnesium.

De flesta batterier bygger på det grundläggande konceptet av en negativ anod och en positiv katod, sammankopplade av en flytande elektrolyt.

Källa: Nobel Prize

Litiums extrema reaktivitet innebar att elektrolyten inte kunde vara vattenbaserad. På 1960‑talen designades flera sådana elektrolyter med organiska (kolbaserade) molekyler för att hitta rätt kombination av inerthet, smältpunkt, redoxstabilitet, löslighet för litiumjoner och salter, jon-/elektronöverföringshastigheter, viskositet osv.

Källa: Nobel Prize

Den ursprungliga designen för litiumjonbatterier använde metalliskt litium som anod och karbonatföreningar som elektrolyter. Men att hitta rätt katodmaterial var en större utmaning.

Stora oljebolag skapar litiumbatterier

Så förvånande som det kan låta, utvecklades grunden för det moderna litiumjonbatteriet, som så småningom skulle hota förbränningsmotorn, av “Big Oil” Exxon Research and Engineering Company.

På 1970‑talen togs hotet om “peak oil”, det vill säga att oljereserverna skulle ta slut, på stort allvar av oljebolagen. För att säkra sin fortsatta närvaro i energisektorn anställde Exxon några av de främsta forskarna inom området. De fick generösa forskningsbudgetar kombinerade med den sällsynta friheten att självständigt följa den idé de ansåg vara mest lovande.

Bland dem fanns Stanley Whittingham, en forskare vid Stanford University som specialiserade sig på “interkalation”. Interkalation är fenomenet där atomstora hålrum i ett material kan binda till joner.

Interkalation skulle vara det ideala materialet för att bygga en katod för litiumjonbatterier, genom att hålla litiumjoner i dessa hålrum.

Det krävde dock omfattande forskning, eftersom katoden också behövde uppfylla en lång lista av specifikationer:

  • Får inte lösa upp sig i elektrolyten.
  • Ingen interkalation av elektrolyten.
  • Interkalationen måste vara reversibel.
  • Minimala strukturella förändringar vid laddning och urladdning.
  • Kan fungera vid rumstemperatur och -tryck.

Whittingham valde slutligen titan-disulfid (TiS2) efter att ha övervägt tantalum-disulfid, men föredrog titan på grund av tantalums tunga vikt.

Källa: Nobel Prize

För att förbättra prestandan hittade de en metod att använda TiS2‑pulver blandat med Teflon och fäst på ett stålsstöd, omgivet av en polypropenfilm och litiummetall.

Dendritproblemet

Ett problem som fortfarande plågade det potentiella litiumjonbatteriet var att en trädliknande struktur, kallad dendrit, bildades av litium efter många ladd‑/urladdningscykler.

Källa: Nobel Prize

När dendriterna bröt igenom isolatorn som separerade batteriets två segment skapade de en kortslutning. Detta problem stoppade utvecklingen av ett kommersiellt litiumjonbatteri i dess spår.

När de nådde den andra elektroden kortslöt batteriet, vilket kunde leda till en explosion.

Brandkåren var tvungen att släcka ett antal bränder och hotade till slut att låta laboratoriet betala för de speciella kemikalier som användes för att släcka litiumbränder.

Dendriterna gjordes mer hanterbara genom att tillsätta aluminium till litiumanoden, vilket skapade det första kommersiella litiumjonbatteriet som användes i klockor 1976.

Parallellt föll oljepriserna, som hade skjutit i höjden under 1970‑talets stagflation, tillbaka. Nya oljefyndigheter upptäcktes också, vilket minskade rädslan för peak oil. Detta minskade också Exxons intäkter och vinster, vilket tvingade företaget att skära ner på grundforskning och licensiera det nyuppfunna batteriet till andra företag.

Bättre katodmaterial

Där Stanley Whittingham skapade en fungerande katod, förbättrade nästa Nobelpristagare, John Goodenough, dess elektriska potential och ökade batteriets prestanda.

Goodenough, en fysiker och matematiker, hade tidigare bidragit till uppfinningen av slumpmässig åtkomstminne (RAM) vid MIT. Han flyttade sedan till Oxford University för att forska på energisystem, särskilt batterier.

Genom att studera de nyuppfunna litiumjonbatterierna insåg han att metalloxid kunde fungera ännu bättre än Whittinghams metalsulfid. Efter en systematisk sökning fann han att litium‑koboltoxid‑designen hade dubbelt så hög elektrisk potential som den tidigare designen, 4 V, och publicerade sin upptäckt 1980.

Källa: Nobel Prize

Denna koboltbaserade design förblev den dominerande egenskapen i litiumjonbatterier fram till det senaste decenniet, då koboltfria alternativa kemier för litiumbatterier började dyka upp. En pågående process, som vi diskuterade i vår artikel “Designa ett bättre batteri – Ut med kobolt och in med…TAQ?”.

Ett nytt hem för litiumforskning

I västvärlden minskade oljepriserna dramatiskt på 1980‑talet, vilket minskade efterfrågan på alternativa energilösningar. I Japan blomstrade däremot den bärbara konsumentelektroniken. Den krävde en ökande energiförsörjning som också var långvarig, lätt och tillräckligt liten för att passa i Walkmans, kameror, datorer, trådlösa telefoner osv.

Akira Yoshino från Asahi Kasei Corporation insåg tidigt att batterier var den saknade länken och att industrin skulle behöva dem.

Litiumjonbatterier passade bra när det gäller energitäthet, och de hade nu en bra katod med Goodenoughs koboltbaserade design. Problemet med litium‑metallanoden och dess farliga dendriter kvarstod dock.

Yoshino testade batterier med rent litium och såg att tester som att släppa ett tungt föremål på batteriet kunde skapa en kraftig explosion. Detta var för farligt för större batterier att klara konsumentskyddslagar och skulle i alla fall bli en PR‑katastrof.

Avlägsna litium från anoden

Grafit, eller rent kol, som spetsen på en blyertspenna, var länge känt som ett potentiellt ersättningsmaterial för metallisk litiumanod, tack vare dess låga elektriska potential i förhållande till Li+/Li. Problemet var att grafiten skulle skadas och flaga av i den organiska elektrolyten.

Yoshinos nyckelinsikt som skulle ge honom Nobelpriset var att använda petroleumkoks istället för grafit. Koks är en biprodukt från petroleumindustrin, och vissa kvalitetsgrader av produkten visade sig vara stabila under de nödvändiga förhållandena för att bilda ett litiumjonbatteri.

Yoshino mätte också att koksanoden med rätt kristallinitet kunde ta upp och släppa stora mängder litiumjoner. Denna design var mycket säkrare och öppnade vägen för kommersialiseringen av större litiumjonbatterier.

Yoshino byggde sedan ett sådant batteri med både sin nyutvecklade koksanod och Goodenoughs koboltoxid‑katod.

Det fick en kommersiell lansering 1991 av Sony och Asahi Kasei, 11 år efter Goodenoughs upptäckt och 15 år efter Whittinghams första kommersialiserade litiumjonbatteri.

Källa: Nobel Prize

Litiumjonbatteriers arv och fortsatta relevans

Yoshinos koks/koboltoxid‑litiumjonbatterier tog snabbt vägen in i alla moderna elektroniska enheter. Tillsammans utvecklades de i takt med framsteg inom datorer och elektronik för att successivt skapa bärbara datorer, mp3‑spelare, smartphones, handhållna konsoler och surfplattor som är allestädes närvarande i våra liv.

Litiumjonbatterier skulle genomgå en ny revolution med framväxten av elbilar. De fick först en skjuts av Tesla (TSLA ) och kinesiska fordonstillverkare som BYD (ett batteriföretag innan det blev världens största elbilsproducent, se mer om BYD i slutet av artikeln).

Eftersom bara en elbil förbrukar batterivolymet av hundratals smartphones eller datorer, har denna marknadsförändring lett till en explosion i efterfrågan på litiumjonbatterier, vilket vida överstiger marknaden före 2015.

Källa: Statista

Elektrifieringsrevolutionen är nu i full gång, även om etablerade biltillverkare och mindre startups kämpar för att göra övergången, för närvarande överträffade av aggressiva kinesiska tillverkare med ett försprång i elbilsteknik.

Litiumjonbatterier gör även framsteg i att stabilisera elnätet, som i allt högre grad förlitar sig på intermittenta förnybara energikällor. Detta är dock en kategori där litiumjon kanske inte är den bästa kemin, som vi diskuterade i “Framtiden för energilagring – Storskaliga batterier”.

Framtidens batteriteknik

Ett problem med den explosiva efterfrågan på litiumjonbatterier från elbilar är att den också har orsakat en explosion i efterfrågan på metallerna i dem.

Detta har lett till extrem volatilitet i litiumpriser, med litiumgruvindustrin som går igenom snabba cykler av under‑ och överproduktion.

Andra metaller, som kobolt, kan vara ännu mer problematiska, med deras massproduktion kopplad till barn‑ och slavarbete samt andra människorättsbrott.

Av dessa skäl identifierade John Goodenough redan 1996 litium‑järn‑fosfat (LFP) som ett kobolt‑fritt alternativ (“LiFePO4: Ett nytt katodmaterial för uppladdningsbara batterier”).

LFP visade sig vara ett mer hållbart och billigare alternativ till klassiska litiumjonbatterier, även om det har lägre energitäthet. År 2022 utgjorde LFP‑batterier 31 % av elbilsbatterimarknaden. De används också ofta i hemmalagringssystem för energi.

Andra alternativ är på väg in på marknaden, särskilt natrium‑jon (som helt eliminerar litium och i stället använder billigare salt) och fast‑tillstånd‑batterier.

Källa: Nature

Du kan läsa en översikt av mobilitets‑inriktad batteriteknik i “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik”.

Detta inkluderar glasbatterier, det sista batterikonceptet som Dr. Goodenough arbetade med innan sin bortgång 2023, med häpnadsväckande påståenden som dubbel så hög energitäthet som konventionella litiumjonbatterier, möjligheten att laddas 23 000 gånger samt en laddningstid på bara några minuter.

Investera i batteriteknik

Litiumjonbatterier har redan förändrat världen flera gånger, från att låta människor bära avancerad elektronik överallt till att driva bilar med enbart elektricitet. De kan fortfarande göra det igen, eller andra batterityper, genom att möjliggöra ett 100 % förnybart elnät eller möjliggöra elektrifiering av flygplan när de når tillräckligt hög energitäthet.

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 biotech‑ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på den växande batteriindustrin.

Batteriföretag

1. CATL (300750.SZ)

CATL är den globala ledaren inom batteritillverkning och producerar mer än hälften av den globala batterivolymen.

Företaget är närvarande i varje steg av batteritillverkningskedjan och är en ledare inom batteriteknik.

Detta gäller även för litiumjonbatterier, där företaget länge har varit en etablerad ledare.

CATL har också meddelat imponerande framsteg inom flera andra batterityper :

Källa: CATL

Senast meddelades att de i princip löst problemet med dendriter som bildas med litiummetall som anod, tack vare en 3D‑struktur som blockerar deras bildning.

Företaget blir aktivt på marknaden för storskalig batterilagring med tillkännagivandet av sitt TENER‑system. Det är “världens första massproducerbara energilagringssystem med noll nedbrytning under de första fem åren i bruk i Peking, Kina”.

Enorm energi i ett kompakt utrymme: 20‑fotars container med 6,25 MWh kapacitet.

Drivet av banbrytande teknologier och extrem tillverkningskapacitet har CATL löst de utmaningar som orsakas av mycket aktivt litium i noll‑nedbrytningsbatterier, vilket effektivt hjälper till att förhindra termisk rusning orsakad av oxidationsreaktioner.

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

Tack vare sin skala, fokus och FoU‑resultat är CATL sannolikt i framkant av batteriinnovation, tillverkning och återvinning. Detta gör dem till en nyckelpartner för elbilstillverkare, inklusive Tesla, NIO, Ford, Stellantis med flera.

2. BYD (BYDDY)

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

Företaget utvecklades från sin början som leverantör av litiumjon‑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 passerade Japan. Företagets aggressiva utrikesexpansion drivs också av nya fabriker, som i Ungern.

Och med lanseringen av $10 000‑$12 000‑bilar som Seagul, med natrium‑batterier, kan en helt ny marknad öppnas för BYD‑elbilar.

Fortfarande en batteritillverkare i kärnan, BYD är en seriös utmanare till CATL på LFP‑marknaden (lithium‑järn‑fosfat), med en marknadsandel på 41,1 % i Kina (jämfört med CATL:s 33,9 %).

“Floden” av billiga elbilar som BYD producerar till de europeiska och amerikanska marknaderna kommer sannolikt att mötas av någon form av protektionism (även över de nyligen införda tullarna), vilket kan hindra BYDs tillväxt.

Men samtidigt är billiga kinesiska elbilar redan en stor framgång i resten av världen, som saknar starka inhemska biltillverkare, inklusive hela Sydamerika, Ryssland, Afrika, Mellanöstern och Sydostasien.

Detta representerar flera miljarder potentiella kunder för BYD, boende i länder som vill balansera geopolitiken och hålla goda relationer både med väst och Kina, så det är osannolikt att starka protektionistiska barriärer uppstår.

Och även i EU eller USA kan BYD förbli konkurrenskraftigt, tack vare de mycket högre priserna för lokala elbilstillverkare jämfört med priserna i Kina, samt lokaliseringen av produktionen utanför Kina för dessa marknader, till exempel i Östeuropa, Mexiko eller Turkiet.

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'.