Aluminium‑Luftbatteriteknik: Driva EVs med skrotaluminium

Lateral Thinking To Solve EV Limitations

EVs har tagit bilmarknaden med storm, och länder som Kina och Norge har redan en stark marknadspenetration. Samtidigt har antagandet av EVs fortsatt att halka efter i många länder på grund av några viktiga begränsningar:

• Kort räckvidd för billigare EV-modeller.
• Långsam laddningshastighet, vilket i kombination med frekvent laddning på grund av kort räckvidd kan göra långdistansresor svåra.
• Oro för elnäten förmåga att hantera tillägget av miljontals nya EVs.

De två första problemen, räckvidd och laddningshastighet, försöker industrin lösa med nya batterikemi samt ett snabbare och tätare nätverk av laddstationer. Men detta är fortfarande en svår nöt att knäcka. Vi gick igenom alla potentiella vägar för nya batterier i vår artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Nätproblemen förvärras av intermittensen i förnybar kraftproduktion. En våg av EVs som laddas på kvällen när folk är hemma från arbete och pendling är inte välkommen när solenergi redan är ute ur bilden.

Men ett nytt koncept kan lösa alla dessa problem på en gång. Tänk om vi istället för att välja mellan förbränningsmotor (ICE) & flytande fossilt bränsle eller EV & batterier, kunde “tanka” EVs med ett helt återvinningsbart bränsle?

The Energy Potential Of Aluminum

Aluminium är ett mycket vanligt grundämne på jorden. Faktum är att det faktiskt är den vanligaste metallen på jorden, framför järn, och utgör 8% av jordens skorpa. Det är också en metall som kräver mycket elektricitet för sin produktion, från rå bauxitmalm till alumina och sedan aluminiummetall. Detta har lett till att aluminium ibland till och med kallas för “frozen electricity”.

Trots sitt vanliga och lugna utseende kan aluminium vara en mycket reaktiv metall under rätt omständigheter och har använts i fyrverkerier; aluminiumpulver drev till och med de fasta raketboostrarna på rymdfärjan. Faktum är att aluminium är 2.5x mer energität än diesel eller bensin. Här kommer Aluminium‑Luftbatterier.

Aluminum-Air batteries lagrar och producerar elektricitet genom oxidation och reduktion av aluminium. Det får aluminiummetallen att reagera med luft och erbjuder en av de högsta energitätheterna bland alla batteriteknologier som finns idag. De kan vara åtta gånger lättare & fyra gånger mindre än Lithium‑Ion.

Aluminum-Air batteries får inte förväxlas med Aluminum-Ion batteries, som liknar Lithium‑ion, men använder en annan metall.

Källa: Energy Post

Aluminum-Air Advantages

Eftersom katoden bara är syre från omgivande luft behövs ingen metallkatod, vilket gör batteriet mycket lättare än sina konkurrenter.

En annan fördel är att det i princip är en “electric engine” som förbrukar aluminium istället för olja och inte förlorar spänning vid urladdning som batterisystem gör.

Begränsningen är att detta förbrukar aluminium och kan inte laddas genom att bara ansluta batteriet. Således är det mer likt ett vanligt AA‑batteri i princip än ett litium‑jonbatteri. Därför krävs ett system för batteribyte, som tar omkring 90 sekunder, istället för en vätskeformig bränsletankning eller en 10‑15 minuters elektrisk laddning.

Ett alternativ kan också vara att använda en kombination av Aluminium‑Air batteries + uppladdningsbara batterier, vilket möjliggör flexibel användning av direkt laddning eller aluminiumdriven drivning beroende på behov, likt ett hybridfordon, men utan något fossilt bränsle.

Infrastructure Pros

En stark faktor till fördel för Aluminium‑Luftbatterier är att det redan finns en väl etablerad, effektiv och storskalig industri för aluminiumåtervinning – något som fortfarande saknas kraftigt för Lithium‑Ion batteries.

Det innebär också att för att anskaffa basmaterialet kan Aluminium‑Luftbatteriindustrin hämta materialet från skrotaluminium räddat från gamla byggnader, maskiner eller flygplan och samtidigt generera kraft. Sammantaget kräver systemet inga kritiska/förorenande/dyrbara resurser som litium, nickel, kobolt eller sällsynta jordartsmetaller.

Som nämnts ovan innebär batteribytet också att det inte finns någon press på elnätet för att laddningen ska ske omedelbart när EVs anländer till ladd‑/tankstationen. Istället kan återvinning av aluminium och uppladdning av batterierna göras med förnybar energi när den produceras i överskott.

Slutligen kan aluminiummetall inte bara återvinnas med grön energi när det är lämpligt, utan den kan också enkelt lagras utan stora kostnader, eftersom den är en stabil och icke‑giftig fast metall som inte oxiderar mycket. Så kan energi lagras i aluminiumförråd under långa perioder, till en mycket lägre lagringskostnad än med batterier, ammoniak eller väte.

Storskalig transport av aluminium kräver inte någon specifik infrastruktur som väte gör och kan ske med vanliga lastbilar eller tåg.

Aluminum Cost- Källa: RiAlAiR

Aluminum-Air Batteries Cons

En begränsning för Aluminium‑Luftbatterier är behovet av ett tätt nätverk av batteribytestationer. På grund av brist på standardisering av EVs och kostnaderna för att bygga ett tillräckligt tätt nät har batteribyte ofta varit en misslyckad idé. Detta är ännu mindre sannolikt att lyckas för traditionella batterikoncept, eftersom EV‑industrin rör sig mot “structural batteries” som integreras i fordonets ram

Vissa företag (se nedan) arbetar med batteribytet för aluminium‑luftbatterier så att det kan göras för hand, vilket kraftigt minskar den tekniska komplexiteten och behovet av en dyr batteribytestation, med enklare leveransautomater, likt för propangaser, som räcker för att utföra jobbet. I vilket fall som helst måste en infrastruktur för insamling och återuppbyggnad/återladdning av använda batterier etableras.

Övergripande är konceptet inte nytt och först föreställdes på 1960‑talet. På den tiden hindrade elektrolytens toxicitet framstegen för denna teknik. Andra tekniska problem kan också vara betydande, främst relaterade till luftkatoden:

“Den tröga effektiviteten i syrereduktionsreaktionen är hindret för dess tillämpning. Andra problem inkluderar CO2‑reaktion med alkalisk elektrolyt som bildar karbonatnedfall, vattenavdunstning till öppen luft [elektrolyt uttorkning] och elektrolytpenetration i luftkatodens porer.” – Källa: Automotive Logistics

Aluminum-Air Companies

1. Aluma Power

Aluma Power är ett kanadensiskt företag beläget på Aamjiwnaang First Nation‑marker.

Aluma Power föreställer sig en full cykel‑effektivitet på 43% och 700% effektivitet när aluminium först används för andra tillämpningar som att bygga chassin för bilar, byggnader, flygplan, växthus, båtar osv., innan det återvinns till bränsle.

Källa: Aluma

Aluma Powers unika tillvägagångssätt är att fokusera på en mekanisk metod för att mildra begränsningarna i Aluminium‑Luftbatterier, såsom anodkorrosion och slitage, genom att rotera anoden. Denna design kan använda vilket skrotaluminium som helst, inklusive smälta motorblock eller läskburkar. Det är dokumenterat i det amerikanska patentet in the US Patent US10978758B2.

Bränsleskivan kan bytas på några minuter och räcker i upp till 130 timmars förbrukning.

Källa: Aluma

Företaget påstår att deras skivsystem möjliggör 70% lägre kapitalkostnader än befintliga aktörer och lägre arbetskostnader för “storage as a service”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique i Frankrike och dess dotterbolag i Storbritannien, MAL, utvecklar Aluminium‑Luftbatterier. Företagets viktigaste immateriella rättighet är en proprietär elektrolytkemikalie som påstås minska problemen med anodkorrosion och porblockering.

Företagets webbplats är något sparsam, med mest länkar till nyhetsartiklar och ett tillkännagivande av en framtida produktlansering 2024. Detta kan vara lite oroande med tanke på ett tidigare tillkännagivande om en lansering under Q4 2021.

Företaget fokuserar på 3 olika produktkoncept:

• En räckviddsförlängare på 300‑mile för EVs, något som diskuteras med två mycket stora bilföretag.
• Ett EV‑batteri med 1 500‑mile räckvidd. MAL har skrivit ett avtal på flera miljoner pund med Austin Electric för massproduktion av dessa batterier i Storbritannien.
• £3,500 conversion kits som omvandlar vanliga bränsledrivna bilar till hybrider.

MAL påstår att tillverkningen av deras batteri kostar endast $36/kWh jämfört med omkring $180/kWh för litium‑jonbatterier. När batteriamorteringen inkluderas skulle driftskostnaden bli £0.08/mile, istället för £0.50/mile för Lithium‑Ion.

Tekniken kan också tillämpas på flygplan, försvarsbatterier och fjärrkraft på öar.

3. RiAlAiR

Företaget fokuserar på att producera Aluminium‑Luftbatterier för båt- och fiskeindustrin. Företaget erbjuder en prenumerationstjänst för sina batterier, vilket minskar förhandskostnaderna och hjälper till att minska föroreningar och höga bränslekostnader.

Fokus på professionella båtbrukare som fiskebåtar och taxibåtar innebär att det ekonomiska argumentet om billigare bränsle kan slå väl an, och affärsfallet behöver inte förlita sig på argument om grön energi, utan enbart på ökad lönsamhet.

Övergången från fossilt bränsle till en eldriven båt öppnar också möjligheten att komplettera energiförsörjningen med solpaneler eller vindkraftverk på själva båten, vilket ytterligare ökar bränsleekonomin och båtens autonomi.

Källa: RiAlAiR

Slutligen är ett elektriskt drivsystem mer effektivt för båtpropulsion, med 92% av energin omvandlad till drivkraft, jämfört med endast 35% för bränsledrivna båtar (skillnaden beror på termiska och mekaniska förluster i förbränningsmotorer).

För närvarande förbrukar miljontals fiskebåtar 50 miljarder liter bränsle per år, vilket utgör 1.2% av den globala bränsleförbrukningen, där majoriteten har en tonnage under 20 ton och är kortare än 12 meter, främst belägna i Asien. Det finns också 15 miljoner fritidsbåtar som har potential att bytas till grönare eldrift.

Källa: RiAlAiR

Medan eldrift har varit en icke‑starter för båtpropulsion har begränsningen alltid varit batteriernas energitäthet. Detta är något som moderna Aluminium‑Luft‑designer kan lösa, vilket potentiellt kan skapa en nisch men lönsam marknad för dessa batterier.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy är det enda företaget involverat i Aluminium‑Luft‑teknik som vi kunde hitta och som dessutom är börsnoterat. Det israeliska företaget utvecklar både aluminium‑ och zinkbaserade batterier. Det riktar sig mot marknaden för reservkraft, mobilitet/EVs och energilagring. Det undersöker också potentialen för marin energi med containeriserade batterier.

Företaget har nyligen tecknat ett avtal om att leverera 300 reservkraftsystem till det indiska telekomföretaget Indus Power, samt ett framgångsrikt test med Cellnex, ett annat telekomföretag. Det testar också sitt system med ett ledande molndatacenterföretag.

Det visade också en prototyp av ett elektriskt Tata‑passagerarfordon i januari 2023. Indien står i centrum för företagets exportstrategi, efter att ha tecknat ett avtal om att bygga ett ekosystem med Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), en av Indiens största aluminiumproducenter.

5. Log9

Detta indiska företag är den första inhemska tillverkaren av litium‑Ion‑battericeller, som också producerar sitt eget batterihanteringssystem. Företaget producerar batterier, grafen‑ultrakapacitorer och Aluminium‑bränsleceller (AFC).

Företaget rapporterades 2020 ha ett team på 45 personer som arbetar med Aluminium‑Luftbatterier. Det diskuterade också en prototyp för ett sista milen‑leveransfordon som kan köra 3 000 km på en enda “charge” år 2021.

På senare tid verkar företaget ha fokuserat mest på snabbladdande litium‑Ion‑batterier, så det är oklart om deras mål för Aluminium‑Luft uppnås, men tekniken är fortfarande framträdande på företagets hemsida.

Conclusion

Aluminium‑Luftbatterier, eller kanske aluminiumbränsleceller är en bättre term, är ett mycket intressant alternativ till det konventionella tillvägagångssättet för EV‑ och batteriteknik. Genom att tillhandahålla ett metalliskt fast bränsle kan de kringgå de flesta hinder för EV‑adoption, samt lösa problemet med att hantera intermittensen i förnybar energi genom att “lagra” den i återvunnen fast aluminium.

För närvarande är tekniken fortfarande i sin linda, och ingen av de största koncernerna eller batteriföretagen verkar arbeta med den. Detta beror delvis på att konceptet radikalt avviker från konventionell kunskap inom EV‑industrin och skulle kräva en helt annan kompetens och tillverkningsprocesser.

Det beror också på att tekniken tenderar att falla mellan gröna policys och subventioner, och matchar varken kraven för vätgasbränslecells‑teknik eller för de laddbara batterierna/EV‑policys. Den verkar vara mest välkommen i Indien, där landet är ivrigt att komma ikapp Kina inom batteriteknik och grön energi.