Framtiden för mobilitet – Batteriteknik

Uppgången av elbilar

När Tesla grundades 2003 sågs idén om elbilar mest som ett skämt. Vid den tiden var varje elbil i princip bara en förhöjd golfvagn med dåligt batteriräckvidd, låg komfort, liten storlek och mycket låg topphastighet.

Tesla Roadster (1^st generation, en ny version förväntas 2026) förändrade helt denna uppfattning, med prestanda som en lyxbils sportbil, vilket gjorde elbilar (EVs) plötsligt coola.

Den nyckelkomponent som gjorde elbilar plötsligt livskraftiga var framsteg inom batteriteknik. Till en början byggde de på litiumjonbatterier avsedda för den lilla elektronikmarknaden. Snart utvecklades mer dedikerade system för att ge elbilar större autonomi.

Från en liten volym redan 2016 är elbilar (EVs) nu en exponentiellt växande del av den globala försäljningen, med mer än 10 miljoner sålda elbilar 2022, eller 14 % av den globala försäljningen, med Kina och Europa i framkant.

Global EV-försäljning – Källa: IEA

Trots dessa framsteg finns fortfarande frågor om antagandet av elbilar. Försäljningen av elbilar har avtagit i takt med hög inflation och behovet av att övertyga allmänheten – inte bara tidiga användare. Detta har nyligen lett till uppskjutning eller avbrytande av EV-strategier hos stora tillverkare, såsom GM, Ford eller Honda.

De nuvarande begränsningarna

Tidiga EV-entusiaster var glada över att använda fordon som kunde vara mer koldioxidneutrala och representerade en ny teknik. Köpare som är mindre miljömedvetna är fortfarande något skeptiska till elbilar av olika anledningar:

• Pris: De flesta elbilar kostar fortfarande mer än deras motsvarighet med förbränningsmotor. Med stigande räntor kan detta göra elbilar för dyra för många.
• Räckviddsångest: Ett sätt att sänka priset på en elbil är att välja ett mindre batteripaket. Men då kan den kortare räckvidden göra långa resor svåra, och laddningstiden kan också bli lång.
• Kallt väder: Ju kallare klimatet är, desto mer skadligt blir det för batterierna. De flesta elbilar måste laddas under vinterkvällar om de inte står i ett varmt garage. Dessutom minskar kyla den teoretiska räckvidden.
• Laddningsinfrastruktur: Människor som bor i lägenheter kan ha svårt att ladda sina elbilar om det inte finns tillräckligt med offentliga laddstationer. Långa köer, långsam laddning eller avsaknad av stationer i närheten kan ge en dålig upplevelse.
• Batterisäkerhet & hållbarhet: Litiumjonbatterier lagrar mycket energi. Elektrolyterna i batteriet är mycket brandfarliga. Detta gör batterier potentiellt farliga, särskilt i slutna miljöer som underjordiska parkeringshus. Inte att förbränningsmotorbilar är icke‑brandfarliga, men det är ändå en oro.
• Elnätet: Även om det inte är ett direkt bekymmer för EV‑köpare kan det bli ett problem för sektorn som helhet. Elnäten är redan något belastade och kanske inte klarar av miljontals fordon som behöver laddas. Källan till elen är också ett problem, då mycket av den kommer från fossila bränslen, inklusive kol.

De flesta av problemen med dagens elbilar kan lösas med bättre batterier. Långsam laddning, för låg räckvidd, säkerhetsproblem, kallkänslighet och även pris är alla egenskaper hos nuvarande litiumjonbatterier.

Forskare och branschledare arbetar hårt för att lösa dessa brister, antingen genom att förbättra den befintliga designen eller uppfinna helt nya sätt att bygga batterier.

Sammanfattningsvis innebär tätare batterier billigare, säkrare batterier som också sannolikt håller längre och laddas snabbare.

Förbättra litiumbatterier

Det första steget är att förbättra de befintliga batterierna och utnyttja den stora kunskapen och erfarenheten med denna teknik. Vissa forskare ser den nuvarande batterigenerationen som fortfarande möjlig att förbättras inkrementellt fram till 2030: “Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision”.

Det första steget är att förbättra katoden i batteriet, som för närvarande mestadels består av litium och nickel i litiumjonbatterier. En djupare förståelse för den kristallina strukturen och kemiska förändringarna när ett batteri åldras kan förbättra alla specifikationer.

Anoder, som för närvarande är gjorda av grafit, kan ersättas av 5‑10 × mer energität kisel eller kiseloxid. Detta har hittills varit svårt, eftersom kiselanoder tenderar att “åldras” för snabbt. Grafit‑kisel‑blandningar blir redan vanligare och kan hjälpa till att öka batteriernas totala energi.

Att förändra elektrolyterna som förbinder anoden och katoden kan också hjälpa. Nya typer av flytande lösningsmedel, mer koncentrerade elektrolyter eller kanske till och med gel‑liknande elektrolyter kan förbättra säkerhetsprofilen och öka batteritätheten.

Till sist är en bättre design ett alternativ för att optimera förhållandet mellan batterier och elbilar. Många elbilstillverkare börjar använda så kallade strukturella batterier som både är energilagring och strukturella komponenter i fordonet. Detta kan minska den totala vikten på bilen, vilket leder till mer effektivitet och räckvidd. Rolls‑Royce, Tesla och Volvo arbetar redan med detta koncept, vilket kan öka räckvidden med 16 %.

Fast solid-state-batterier

Långt teoretiserade och sakta bli verklighet i laboratorier, fast solid-state-batterier beskrivs ofta som den heliga graalen inom batteriteknik.

Idén är att helt ta bort behovet av flytande elektrolyter, vilket kraftigt minskar batteriets vikt och dramatiskt ökar dess täthet. Att ta bort den brandfarliga elektrolyten bör göra batteriet mycket säkrare. Att ta bort elektrolyten bör också förenkla produktionsprocessen; att ta bort upp till 3 veckor i tillverkningslinjen.

Slutligen lovar sådana konstruktioner nästan full laddning på 3‑5 minuter, ungefär samma tid som det tar att tanka en bensinbil.

Många företag talar om att lansera sina egna versioner av fast solid-state-batterier så tidigt som 2026‑2029. Detta inkluderar QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) och Samsung SDI (006400.KS). För närvarande arbetar Tesla (TSLA) på sin egen alternativ till fast solid-state-batterier, 4680‑battericellerna baserade på litiumjon‑teknik.

Problem med fast solid-state-batterier

Utvecklingen av fast solid-state-batterier har drabbats av svårigheter att skala upp laboratorieprototyper till massproducerade produkter. Tillförlitlig, automatiserad och lågkostnadsproduktion är fortfarande under utveckling, och tidplanen för marknadsintroduktion av fast solid-state-batterier ligger troligen i horisonten 2026‑2028 som bäst.

Källa: Vertex Holdings

Till sist kommer fast solid-state-batterier att använda mycket mer litium än nuvarande litiumjonbatterier, något som kan leda till en upprepning av det kraftigt stigande litiumpriset 2022, då det ökade tio‑falt på två år. Återvinning kan också bli svårt.

“Kondenserade” batterier

Kanske behöver vi inte vänta på fast solid-state-batterier för att se mycket högdensitetsbatterier. CATL har annonserat sin skapelse av ett “kondenserat materia”‑batteri, som kan nå 500 Wh/kg. Företaget påstår också att massproduktion kan uppnås på kort tid, vilket från en ledare i sektorn och inte en liten startup sannolikt är trovärdigt.

Detta är en densitetsnivå som tidigare ansågs uppnåbar endast av fast solid-state-batterier. Det är också den nivå som krävs för att börja överväga elektriska flygplan och andra tillämpningar som hittills varit omöjliga att elektrifiera.

Alternativa batterikemi

Det finns många möjliga alternativ till litiumjon för att skapa ett batteri. Men bara några få batterikemier kommer att ha rätt kombination av lättvikt, hög densitet och säkerhet för att vara lämpliga i mobila tillämpningar.

På lång sikt kan vissa av dessa alternativa batterier till och med ersätta de dyrare litiumbatterierna, åtminstone när det gäller den mer pris‑känsliga massmarknaden för fordon.

Litiumjärn(Ferrum)-fosfatbatterier – LFP

LFP‑batterier har länge hållits ute från mobilitetsapplikationer på grund av för låg energitäthet, vanligtvis 30‑40 % lägre än ett klassiskt litiumjonbatteri. Den senaste versionen av denna kemi når nu densitetsnivån hos äldre generationers litiumjonbatterier, vilket gör dem livskraftiga för lågkostnadsfordon.

En stor fördel med LFP är att de inte kräver någon nickel eller kobolt, vilka båda är ansvariga för priset på klassiska litiumjonbatterier. I kontrast är järn och fosfat rikligt förekommande och billiga. LFP‑batterier har också större sannolikhet att hålla längre, vilket ytterligare minskar den totala livscykelkostnaden för batterisystemet.

Den ledande tillverkaren av LFP är kinesiska CATL (300750.SZ), tillsammans med BYD (BYDDF), även om företaget nu tittar på andra alternativ för att behålla sin position som tillverkare av hälften av världens batterier.

Trots detta försummar inte LFP‑marknaden efter avslöjandet i augusti 2023 av ett 700‑kilometers LFP‑batteri som kan ladda 400 km räckvidd på bara 10 minuter.

Natriumjon

Förutom kobolt och nickel är litium den andra kostsamma resursen i litiumjonbatterier. Till skillnad från detta är natrium extremt rikligt och billigt och mycket mindre sannolikt att hamna i brist som litium regelbundet.

Den ledande kinesiska biltillverkaren, BYD har annonserat sin avsikt att använda natriumjonbatterier för sina nya lågpris‑modeller Dolphin och Seagull, där Seagull kan bli så billig som $10 000 (tyvärr bara i Kina).

Detta följdes av ett högdensitets‑natriumjonbatteri från CATL 2021. I november 2023 har den europeiska Northvolt annonserat ett genombrott i natriumjon, med samma 160 watt‑timmar per kilogram energitäthet som CATL.

Även om det är något mindre energität än LFP och mycket mindre än litiumjon, kan natriumjon vinna massmarknaden tack vare ett MYCKET billigare pris, potentiellt en tredjedel av priset på nuvarande batterier som använder kobolt.

Andra kemier

Även om det skulle bli för långt att gå igenom var och en, finns det ett antal andra potentiella kemier som en dag kan bli seriösa konkurrenter för batterier som används i mobilitetsapplikationer. Men dessa teknologier är i ett tidigare stadium, vilket gör deras antagande i elbilar osannolikt på kort sikt.

Glasbatterier

Ett fascinerande koncept, som använder endast mycket rikliga material, som för närvarande andra forskare har kämpat med att reproducera i sina egna laboratorier. Men med tanke på att detta koncept stöds av Mr. Goodenough, uppfinnaren av litiumjonbatteriet, får det inte avfärdas (tyvärr gick Mr. Goodenough bort sommaren 2023).

Grafenbatterier

Grafen, ett enkel lager kolatomer, är extremt ledande. Företaget Graphene Manufacturing Group (GMG.V) driver på grafen/aluminium‑batterier, som kan ha högre densitet än litiumjon samtidigt som de laddas 70 gånger snabbare och håller 3 × längre. Företaget arbetar med gruvjätten (och grafitgruvan) Rio Tinto för att starta storskalig produktion för 2025.

Manganvätebatterier

Dessa batterier skulle använda magnesium för att ersätta litium. Denna typ av batteri har beskrivits som “quasi solid-state” och kan hantera mycket lägre temperaturer ner till -22 °C (‑7 °F).

Litium-svavelbatterier

Dessa batterier skulle använda litium och svavel istället för dyr kobolt och nickel. Även i detta tidiga stadium visar de en anmärkningsvärd hög energitäthet. De har dock drabbats av problem med hållbarhet och måste bli mycket mer hållbara för att vara ett bra alternativ till befintliga kemier.

Källa: Vertex Holdings

Natrium-svavelbatterier

Dessa batterier har hittills varit begränsade till tillämpningar där batteriet hålls vid hög temperatur (300 °C). Men nya elektrolyter som förhindrar svavelupplösning kan ta bort detta krav. Således kan det bli ett nytt perspektiv för att hitta kraftfulla och billiga batterier.

Aluminiumjonbatterier

Denna teknik ersätter litium‑anoden med en aluminium‑anod. Genom att använda ett polymer‑ersättningsmaterial för grafit, kan dessa batterier uppnå hög lagringskapacitet.

Aluminium-luft

Dessa “batterier” fungerar genom att förbruka aluminium som ett bränsle, vilket ger den elbil som använder den en högre räckvidd än en bränslebil (1 600 km per tank), med en mycket högre energitäthet än litiumjon (1 350 W/kg). Detta gör den också till en potentiell energikälla för elektriska flygplan.

Det förbrukade aluminiumet kan sedan ersättas med färskt aluminium på 90 sekunder, och det använda “bränslet” återvinns. Denna teknik kan också kombineras med äldre elbilar för att ge dem mer räckvidd.

För närvarande är den största begränsningen för utvecklingen av denna teknik att den misslyckas med att få offentligt stöd, eftersom den varken är ett riktigt batteri, ett bränslecell eller väte‑baserad, vilket gör den ineligible för stöd av befintliga gröna policys.