Energi
Mer Energii, Mindre Koldioxid – Ny Batteritekniks Mångfaldiga Tillvägagångssätt för Hållbarhet
Batteri Eller Kolavtryck? Varför Inte Båda?
Kampen för grön energi och elektrifiering är till stor del motiverad av behovet att minska koldioxidutsläpp i klimatförändringens sammanhang. Men sol- och vindkraft är medfött intermittenta.
Ju mer grön energi som driver elnätet, desto fler storskaliga batterier behövs för att lagra energi under toppproduktion och distribuera den tillbaka till elnätet vid ett senare tillfälle. Storskaliga batterier kommer troligen att använda helt olika kemiska processer än elfordon, eftersom de inte fungerar under samma begränsningar:
- Inget behov av hög densitet eller låg vikt, batterier kan lagras på marken på kraftverk eller dedikerade platser.
- Extrem känslighet för total kostnad (konstruktion + drift).
- Behov av att använda billiga och rikliga material för att kunna distribueras i stor skala, och avstå från metaller som kobolt, platina, palladium etc., (eller helst även litium).
- Behov av en mycket lång livslängd utan kapacitetsförsämring, helst i området flera decennier.
Det är något vi tidigare har utforskat i djupet i vår artikel “Framtiden För Energilagring – Storskaliga Batteritekniker“, där vi listade de flesta möjliga kemiska processer under utveckling för detta ändamål.
Alla dessa batterier fungerar för att göra grön energi mer ekonomiskt livskraftig och allmänt accepterad, vilket skulle minska koldioxidutsläpp. Men ingen bidrar direkt till att minska utsläpp eller fånga koldioxid.
Även så kallade CO2-batterier skulle återutsända CO2 när el töms.
Detta kan förändras tack vare en banbrytande ny batteridesign, som inte bara kan lagra energi utan också producera vätgas och varaktigt fånga koldioxid.
Koldioxidfångande Batterier
Koldioxidfångst är idén att ta vanligtvis utsläppt CO2 och omvandla den tillbaka till användbara produkter. Du kan läsa mer om de olika koldioxidfångstteknologierna i den här artikeln från Energy Tracker.
Källa: EnergyTracker
Tills nu var en sådan process något som läggs till ovanpå industriella processer och representerade en extra kostnad utan någon praktisk produkt, men koldioxidfångst.
Vi diskuterade den nuvarande tillståndet för koldioxidfångst i mer detalj i vår artikel “Top 5 Koldioxidfångstaktier Att Investera I“.
Forskare vid Oak Ridge National Laboratory kan ha funnit ett sätt att göra koldioxidfångst till en integrerad del av det gröna energinätet och associerade batterier. De publicerade sina resultat i Journal of Power Sources, under titeln “Ursprunget Till Inaktivering Av Vattenbaserad Na–CO2-batteri Och Minskning För Långvarig Energilagring”.
Tidigare Koncept Uppgraderat
Koldioxidfångande batteri är en uppgradering från konventionella metal-CO2 som cirkulerar in och ut CO2 medan det oxiderar en metall (M), som kan vara natrium (Na), litium (Li) eller magnesium (Mg): CO2 ↔ MxCO3.
Ett återkommande problem med metal-CO2-batterier är att avsättning av fasta urladdningsprodukter som M2CO3(s) (M = Li eller Na), Al2(C2O4)3(s) eller MgCO3(s) på elektrodens yta ofta leder till igensättning av den porösa elektroden.
Denna igensättning påverkar negativt batteriet och minskar snabbt dess kapacitet.
För att övervinna detta problem utvecklade forskarna två potentiella batterier, ett som förlitar sig på natrium och det andra på aluminium, båda rikliga och lågkostnadsmaterial.
Na-CO2-batteriet förlitar sig på en järn-nickelkatalysator, som är mycket billigare än de flesta katalysatorer i branschen.
Till skillnad från tidigare design, släpper den nya CO2-batteriet inte ut CO2 i gasform, utan i stället löser karbonatbyprodukten upp 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 gaser som släpps ut är syre och vätgas, som inte bidrar till klimatförändringar och kan till och med fångas för att producera energi eller bränsle.
Att Övervinna Tekniska Utmaningar
Den här idén verkar så imponerande att det kan vara en överraskning att den inte har gjorts tidigare.
Anledningen är att det för att förverkliga det i praktiken måste övervinna ett par tekniska problem.
Först måste elektroderna separeras i våta och torra kammare med en fast jonledare mellan dem. Ledaren bromsade ner elektronrörelsen och minskade batteriets effektivitet.
Sedan är detta Na-CO2-batteri inte immunt mot CO2-batteriets problem med filmavlagring på elektroden. Men forskarna fann, med hjälp av mycket avancerade mikroskop och röntgenmaskiner, att ojämn laddning och urladdning av batteriet förhindrade filmbyggnad på elektroden.
“Vi rapporterar för första gången att den inaktiverade cellen kan återaktiveras.
Och vi fann ursprunget till inaktivering och aktivering. Om du symmetriskt laddar och urladdar batteriet för länge, är det dött vid ett stadium. Om du använder det protokoll vi etablerade för vår cell, är chansen till fel mycket liten.”
Ruhul Amin – den ledande forskaren i projektet
Kanske ännu mer imponerande är att dessa batterier kan fånga CO2 med hjälp av den lagrade energin, så inte när förnybar energiproduktion toppar, vilket ger det mer flexibilitet. Det kunde också göra det till en perfekt match för att fånga koldioxid från toppkraftverk som förlitar sig på fossila bränslen för att producera el när vinden är svag eller solen inte skiner.
Att Flytta Till Kommersiell Design
Med bevis för konceptet av ett CO2-batteri som kunde återaktiveras, gick teamet vidare för att förbättra prestandan för att matcha kraven för ett livskraftigt storskaligt batteri.
För detta utvecklade de ett Al-CO2-batteri runt samma princip som Na-CO2-prototypen.
Prototypen uppnådde remarkabla resultat, bland annat:
- 600 timmars (25 dagars) drift utan kapacitetsförlust.
- Tillräcklig lagring för mer än 10 timmars el som kan användas senare.
Vad Kommer Härnäst?
Att använda havsvatten som det vattenbaserade mediet kan starkt förbättra batteriets hastighet och vätgas + syreproduktion genom att skapa blekmedel från kloratomerna i vattnet. Så detta batteri kan fungera med ännu fler användbara biprodukter än vad som ursprungligen förväntades.
En annan utmaning kommer att vara att ta aluminium-CO2-batteridesignen till en större skala som passar för en riktig storskalig distribution.
Ett annat pågående arbete är att gå tillbaka till natrium-CO2-batteriet och utveckla en mycket fin, tät, mekaniskt stabil keramisk membran för att separera batterikamrarna och göra batteriet kommersiellt konkurrenskraftigt.
Batteriföretag
På grund av deras tidigare begränsningar finns det lite i form av CO2-batteriföretag. Men innovativa batteriföretag med en historia av att snabbt anpassa sig till ny teknik kommer att kunna utnyttja framsteg inom området för att utveckla nya kemiska processer om det behövs.
1. BYD Company Limited (BYDDF)
BYD är det ledande elfordonföretaget i Kina, med 1 860 000 fordon sålda 2022, 20 miljarder euro i intäkter 2022 och ett av de största privata företagen i landet.
Företaget började som den första leverantören av litium-jonbatterier till Motorola 2000 och gick in på bilbranschen så tidigt som 2003. Idag är det också aktivt inom bussar, tåg, halvledare och batterilagring.
Källa: Byd Company
Tack vare sin enorma storlek är BYD, tillsammans med Tesla, en av de största leverantörerna av elfordonsbatterier.
Förutom elfordonsmarknaden ser BYD, liksom Tesla, möjligheter att utnyttja sin överdimensionerade batteritillförsel för andra marknader. Det lanserade bland annat Battery-Box för bostadsbruk, med koboltfri litiumjärnfosfat-kemi. Det erbjuder också sitt Nya Energi-paket, som kombinerar sol- 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 leverantörskedjan från mineralbattericeller till batteripack. Detta har hjälpt det att etablera sin egen proprietära återvinningslösning, med hjälp av gamla bilbatterier som fast lagring eller fullständig batteriåtervinning genom en ny underavdelning 2022.
BYD utvidgar nu sin verksamhet utomlands, särskilt i Europa, med planer på att fyrdubbla sin fortfarande små marknadsandel, samt lokal produktion i Ungern, med en kapacitet på 150 000 fordon per år som kan fördubblas till 300 000. Detta kan pressa lokala tillverkare och Tesla, med ett prislapp som nu ligger i samma område som bilar med förbränningsmotor.
Expansionen i USA är mer försiktig eftersom rivaliteten mellan USA och Kina fortsätter att eskalera, med en 100-procentig tull på kinesiska bilar under våren 2024.
Källa: BYD
Med starka tillväxtutsikter i Sydamerika, Asien och Europa, samt en dominerande position i Kina, den ledande marknaden för elfordon, är BYD:s aktie den mindre kända och lägre värderade alternativet till Tesla.
2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)
Det kinesiska CATL är med största sannolikhet världens största batteriföretag om man bedömer det efter batterivolym. Det producerade 2022 nästan hälften av världens batterier i terawattimmar.
Det har också några av de mest avancerade litiumjärnfosfatbatterierna, som kan vara en lösning för att skapa billigare och “täta nog” batterier för billiga elfordon.
CATL:s expertis inom batterikemi sträcker sig till andra alternativ också. Bland annat den imponerande natriumjonbatteriet med 160 Wh/kg som tillkännagavs 2021. Att ersätta litium med rikligt och billigt natrium erbjuder ett alternativ till litium, vars pris har varit mycket volatilt och högt under de senaste åren. Och för tillämpningar som fortfarande kräver litium, CATL investerar 1,4 miljarder dollar för att utveckla litiumproduktion i Bolivia.
Men när det gäller batteriprestanda är CATL i framkanten av framstegen. Först tillkännagav det ett 330 Wh/kg ultra-hållbart “miljonsats” batteri som laddas till 80 % på 5 minuter och är redo för kommersialisering. Detta batteri kommer att användas av Tesla i framtiden och kommer att vara den nya standarden för högpresterande elfordon.
Det har också nyligen tillkännagett ett rekordbrytande 500 Wh/kg “kondenserat” batteri, som skulle vara tillräckligt tätt för att driva elfordon och flygplan på lång distans. Det påstår också att ha funnit ett sätt att göra batterier som klarar kallt väder bättre, men detta är fortfarande en svaghet i tekniken och ett problem för elfordon i kalla länder.
Ledande elfordonstillverkare som Tesla och BYD, eller ambitiösa nya aktörer som Toyota, kan försöka utveckla sin egen batteriteknik som en unik fördel. Men resten av bilindustrin, inklusive tyska, amerikanska och japanska tillverkare, letar efter partners för att hålla jämna steg i jakten på avancerade batterier. Detta inkluderar Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda och Mercedes Benz.
CATL har produktionsvolymen för att dra nytta av stordriftsfördelar i batteritillverkning. Dess stora försäljningsvolym bidrar 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 branschen än deras direkta konkurrenter som BYD och Tesla.
För tillfället har företaget varit mest fokuserat på elfordon. Det kan vända sig mot storskaliga batterier när Kinas förnybara energiproduktion växer och tekniken mognar.
Allt detta gör ett övertygande argument för att CATL ska förbli världens ledande batteritillverkare. Men de ökande spänningarna mellan USA och Kina bör inte glömmas, och dess aktie kan hamna i mitten av maktkampen mellan världens två största ekonomier.
