Mer energi, mindre koldioxid – Ny batteritekniks mångsidiga strategi för hållbarhet

Batteri eller koldioxidinfångning? Varför inte båda?

Drivet för grön energi och elektrifiering är främst motiverat av behovet att minska koldioxidutsläpp i samband med klimatförändringarna. Dock är sol- och vindkraft i sig intermittenta.

Således, ju mer grön energi som driver nätet, desto fler storskaliga batterier behövs för att lagra energi under högproduktionsperioder och distribuera den tillbaka till nätet senare. Storskaliga batterier kommer sannolikt att använda mycket olika kemier än elbilsbatterier, eftersom de inte arbetar under samma begränsningar:

• Ingen behov av hög densitet eller låg vikt, storskaliga batterier kan lagras på marken vid kraftverk eller dedikerade platser.
• Extrem känslighet för totala kostnader (byggnation + drift).
• Behov av att använda billiga och rikligt förekommande material för att kunna distribueras i stor skala, vilket innebär att man undviker metaller som kobolt, platina, palladium osv (eller helst även litium).
• Behov av en mycket lång livslängd utan kapacitetsförlust, helst i storleksordningen flera decennier.

Det är något vi tidigare har utforskat ingående i vår artikel “Framtiden för energilagring – Storskaliga batteritekniker”, där vi listade de flesta möjliga kemierna under utveckling för detta ändamål.

Alla dessa batterier fungerar för att göra grön energi mer ekonomiskt hållbar och allmänt antagen, vilket skulle minska koldioxidutsläppen. Dock bidrar ingen direkt till att minska utsläppen eller fånga koldioxid.

Även så kallade CO2-batterier skulle återutsläppa CO2 när elektriciteten levereras.

Detta kan förändras tack vare en banbrytande ny batteridesign, som inte bara kan lagra energi utan också producera väte och hållbart fånga koldioxid.

Koldioxidinfångningsbatterier

Koldioxidinfångning är idén att ta den normalt utsläppta CO2 och omvandla den till användbara produkter. Du kan läsa mer om de olika koldioxidinfångningsteknologierna i den här artikeln av Energy Tracker.

Källa: EnergyTracker

Fram till nu var en sådan process något som lades till ovanpå industriella processer och innebar en extra kostnad utan någon praktisk produkt förutom koldioxidinfångning. Processen i sig var inte användbar.

Vi diskuterade den nuvarande situationen för koldioxidinfångning mer i detalj i vår artikel “Topp 5 koldioxidinfångningsaktier att investera i”.

Forskare vid Oak Ridge National Laboratory kan ha hittat ett sätt att göra koldioxidinfångning till en integrerad del av det gröna energigridet och tillhörande batterier. De publicerade sina fynd i Journal of Power Sources, under titeln “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage“.

Uppgraderat tidigare koncept

Koldioxidinfångningsbatteriet är en uppgradering från konventionella metall‑CO2‑batterier som cyklar CO2 in och ut samtidigt som de oxiderar en metall (M), som kan vara natrium (Na), litium (Li) eller magnesium (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Ett återkommande problem med metall‑CO2‑batterier är avsättningen av fasta urladdningsprodukter såsom M2CO3(s) (M = Li eller Na), Al2(C2O4)3(s) eller MgCO3(s) på elektrodytan, vilket ofta leder till igensättning av den porösa elektrodstrukturen.

Denna igensättning påverkar batteriet negativt och minskar snabbt dess kapacitet.

För att övervinna detta problem utvecklade forskarna två potentiella batterier, ett baserat på natrium och det andra på aluminium, båda rikligt förekommande och låga kostnadsmaterial.

Na‑CO2‑batteriet förlitar sig på en järn‑nickel‑katalysator, som är mycket billigare än de flesta katalysatorer i branschen.

Till skillnad från tidigare konstruktioner släpper det nya CO2‑batteriet inte ut CO2 i gasform, utan karbonatbiprodukten löser sig i den flytande elektrolyten.

Dessa karbonater kan sedan antingen behållas i batteriet eller samlas in när de ackumuleras och fälls ut i fast form. Läkemedels- eller cementindustrin kan sedan använda dem.

De enda gaserna som släpps ut är syre och väte, vilka inte bidrar till klimatförändringarna och kan till och med fångas för att producera energi eller bränsle.

Källa: Oak Ridge National Laboratory

Övervinna ingenjörsutmaningar

Denna idé verkar så imponerande att det kan vara en överraskning att den inte har genomförts tidigare.

Anledningen är att för att få det att fungera i praktiken var det nödvändigt att övervinna några tekniska problem.

Först måste elektroderna separeras i våta och torra kammare med en fast jonledare mellan dem. Ledaren saktade ner elektronrörelsen, vilket minskade batteriets effektivitet.

För det andra är denna typ av Na‑CO2‑batteri inte immun mot CO2‑batteriets problem med filmavlagring på elektroden. Forskarnas avancerade mikroskop- och röntgenutrustning visade dock att ojämna laddnings- och urladdningspulser förhindrade filmuppbyggnad på elektroden.

“Vi rapporterar för första gången att den inaktiverade cellen kan återaktiveras.

Och vi fann orsaken till inaktiveringen och aktiveringen. Om du symmetriskt laddar‑urladdar batteriet för länge, blir det dött i ett skede. Om du använder det protokoll vi etablerat för vår cell, är risken för fel mycket liten.”

Ruhul Amin – projektets huvudforskare

Kanske ännu mer imponerande är att dessa batterier kan fånga CO2 med den lagrade energin, så inte bara när förnybar energiproduktion är på topp, vilket ger dem mer flexibilitet. Det kan också göra dem till en perfekt lösning för att fånga koldioxid från toppkraftverk som förlitar sig på fossila bränslen för att producera el när vinden är svag eller solen inte skiner.

Övergång till kommersiell design

Med ett bevis på konceptet för ett CO2‑batteri som kunde återaktiveras, gick teamet vidare med att förbättra prestandan för att möta kraven för ett livskraftigt storskaligt batteri.

För detta utvecklade de ett Al‑CO2‑batteri baserat på samma princip som Na‑CO2‑prototypen.

Prototypen uppnådde anmärkningsvärda resultat, särskilt:

• 600 timmars (25 dagars) drift utan kapacitetsförlust.
• Tillräckligt med lagring för mer än 10 timmars elektricitet att användas senare.

Vad blir nästa?

Genom att använda havsvatten som den vattenbaserade mediet kan batteriets hastighet och produktionen av väte+syre kraftigt förbättras genom att skapa blekmedel från kloratomerna i vattnet. Således kan detta batteri fungera med ännu fler användbara biprodukter än vad som först förväntades.

En annan utmaning blir att skala upp aluminium‑CO2‑batteridesignen till en större skala som passar för en verklig storskalig implementering.

Ett annat pågående arbete är att återgå till natrium‑CO2‑batteriet och utveckla ett mycket fint, tätt, mekaniskt stabilt keramisk membran för att separera batterikammarna och göra batteriet kommersiellt konkurrenskraftigt.

Batteriföretag

På grund av sina tidigare begränsningar finns det få CO2‑batteriföretag. Innovativa batteriföretag med en historia av snabb antagning av ny teknik kommer dock kunna utnyttja framsteg inom området för att utveckla nya kemier vid behov.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD är det ledande EV‑företaget i Kina, med 1 860 000 sålda fordon år 2022, 20  miljarder € i intäkter år 2022, och ett av de största privata företagen i landet.

Företaget började som den första leverantören av litiumjonbatterier till Motorola år 2000 och gick in i bilbranschen redan 2003. Idag är det också aktivt inom bussar, tåg, halvledare och batteri‑energilagring.

Källa: Byd Company

Tack vare sin enorma storlek, “BYD överträffade LG för att bli världens näst största leverantör av EV‑batterier”

Utöver EV‑marknaden ser BYD, likt Tesla (TSLA ), på att utnyttja sitt enorma batteriutbud för andra marknader. De lanserade särskilt Battery-Box för bostadsbruk, med en koboltfri litiumjärnfosfat‑kemistik. De erbjuder också sitt New Energy-paket, som kombinerar solenergi och lagringslösningar.

Genom att kombinera Battery-Box och New Energy, har BYD Energy Storage System (ESS) levererat mer än 14 GWh lagringskapacitet.

BYD äger hela leveranskedjan från mineralbattericeller till batteripaket. Detta hjälpte dem att etablera sin egen proprietära återvinningslösning, där gamla bilbatterier används som fast lagring eller fullständig batteriåtervinning genom en ny avdelning år 2022.

BYD är nu på väg att expandera internationellt, särskilt i Europa, med planer på att fyrdubbla sin fortfarande lilla marknadsandel, samt lokal produktion i Ungern, med en kapacitet på 150 000 fordon per år som kan dubbleras till 300 000. Detta kan sätta press på lokala tillverkare och Tesla, med ett pris som nu ligger i samma nivå som bensindrivna bilar.

Detta kan pressa lokala tillverkare och Tesla, med ett pris som nu ligger i samma nivå som bensindrivna bilar.

Expansionen i USA är mer försiktig eftersom rivaliteten mellan USA och Kina fortsätter att eskalera, med en 100 % tull på kinesiska bilar införs våren 2024.

Källa: BYD

Med starka tillväxtutsikter i Sydamerika, Asien och Europa, samt en dominerande position i Kina, den ledande marknaden för EV‑bilar, är BYDs aktie det mindre kända och lägre värderade alternativet till Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

Kinesiska CATL är med största sannolikhet det största batteriföretaget i världen om man bedömer efter batterivolymen. Det producerade år 2022 nästan hälften av världens batterier i GWh.

Det har också några av de mest avancerade litiumjärnfosfatbatterierna, vilka kan vara en lösning för att skapa billigare och “tillräckligt täta” batterier för lågkostnads‑EV‑bilar.

CATL:s expertis inom batterikemi sträcker sig även till andra alternativ. Särskilt det imponerande 160 Wh/kg natrium‑jonbatteriet tillkännagavs 2021. Att ersätta litium med rikligt förekommande och billig natrium erbjuder ett alternativ till litium, vars pris har varit mycket volatilt och högt de senaste åren. Och för tillämpningar som fortfarande kräver litium, CATL investerar också 1,4  miljarder dollar i att utveckla litiumproduktion i Bolivia.

Men när det gäller batteriprestanda är CATL i framkant av utvecklingen. Först annonserade de ett 330 Wh/kg ultra‑hållbart “miljon mil”‑batteri som laddas till 80 % på 5 minuter och är redo för kommersialisering. Detta batteri bör användas av Tesla i framtiden och kommer att bli den nya standarden för högpresterande EV‑bilar.

Det meddelade också nyligen ett rekordbrytande 500 Wh/kg “komprimerat” batteri, som skulle vara tillräckligt tätt för att driva långdistans‑EV‑bilar och flygplan. Det påstår också att ha hittat ett sätt att få batterier att hantera kallt väder bättre, men detta är fortfarande en svaghet i teknologin och ett problem för EV‑bilar i kalla länder.

Ledare inom EV‑bilar som Tesla och BYD, eller ambitiösa nya aktörer som Toyota, kan vilja utveckla sin egen batteriteknik som en unik fördel. Men resten av bilindustrin, inklusive tyska, amerikanska och japanska biltillverkare, söker partners för att hålla jämna steg i tävlingen om avancerade batterier. Detta inkluderar särskilt Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, och Mercedes Benz.

CATL har produktionsvolymen för att dra mest nytta av stordriftsfördelar i batteritillverkning. Dess stora försäljningsvolym bidrar också direkt till vetenskaplig expertis och en stor FoU‑budget, vilket möjliggör fler genombrott. Genom att inte vara en biltillverkare är det också en bättre partner för större delen av industrin än deras direkta konkurrenter som BYD och Tesla.

För närvarande har företaget mest fokuserat på EV‑bilar. Det kan vända sig mot storskaliga batterier i takt med att Kinas förnybara energiproduktion växer och tekniken mognar.

Sammanlagt ger detta ett övertygande argument för att CATL ska förbli världens ledande batteriproducent. De ökande spänningarna mellan USA och Kina bör dock inte glömmas helt, och dess aktie kan fastna i mitten av maktkampen mellan de två största ekonomierna i världen.