Framtiden för mobilitet – Batteriteknik

Elbilar på framväxt

När Tesla grundades 2003 sågs idén om elbilar mest som ett skämt. På den tiden var varje elbil i princip en glorifierad golfbil med dålig batteriräckvidd, låg komfort, liten storlek och mycket låg topphastighet.

Tesla Roadster (1:a generationen, eftersom en ny version väntas 2026) ändrade helt på denna uppfattning, med prestanda som en lyxbil, vilket gjorde elbilar (EV) plötsligt coola.

Den viktigaste delen som gjorde EV möjliga var framsteg inom batteriteknik. Till en början byggde detta på lithium-jonbatterier designade för den lilla elektroniska marknaden. Och snart utvecklades mer dedikerade system för att ge EV mer autonomi.

Från en liten volym, även 2016, är elbilar nu en exponentiellt växande del av globala försäljningar, med mer än 10 miljoner elbilar sålda 2022, eller 14% av globala försäljningar, med Kina och Europa i spetsen.

Globala elbilsförsäljningar – Källa: IEA

Ändå, trots denna utveckling, kvarstår vissa frågor om antagandet av EV. Elbilsförsäljningen har bromsat i mötet med hög inflation och behovet att övertyga allmänheten – inte bara tidiga antagare. Detta ledde nyligen till uppskjutandet eller avbrottet av EV-strategi av stora tillverkare, såsom GM, Ford eller Honda.

Aktuella begränsningar

Tidiga elbilsentusiaster var glada att använda fordon som kunde vara mer koldioxidneutrala och representerade en ny teknik. Mindre miljömedvetna köpare är fortfarande något skeptiska till EV på grund av olika skäl:

• Pris: De flesta EV kostar fortfarande mer än deras ICE (Intern Combustion Engine) motsvarighet. Med stigande räntor kan detta göra EV för dyra för många människor.
• Räckviddsångest: Ett sätt att minska priset på en EV är att välja det mindre batteripaketalternativet. Men då kan lägre räckvidd göra långa resor svåra, och laddningstiden kan vara lång också.
• Kallt väder: Ju kallare klimat, desto mer skadligt blir det för batterierna. De flesta EV behöver stanna laddade på vinterkvällar om de inte är i ett varmt garage. Dessutom minskar kyla den teoretiska räckvidden för EV.
• Laddningsinfrastruktur: Personer som bor i lägenheter kan ha svårt att ladda sina EV om det inte finns tillräckligt med offentliga laddningsstationer tillgängliga. Långa köer, långsam laddning eller inga stationer i närheten kan göra för en dålig upplevelse.
• Batterisäkerhet och hållbarhet: Lithium-jonbatterier innehåller mycket energi. Och elektrolyterna i batteriet är mycket brandfarliga. Detta gör batterierna potentiellt till en säkerhetsrisk, särskilt i slutna miljöer som underjordiska parkeringsgarage. Inte att ICE-bilar är icke-brandfarliga, men det är fortfarande en oro.
• Elgrid: Medan det inte är en oro för EV-köpare, kan det bli ett problem för sektorn som helhet. Elgriden är redan något ansträngd och kan inte hantera miljontals fordon som behöver laddas. Källan till elen är också ett problem, med mycket som kommer från fossila bränslen, inklusive kol.

De flesta problemen med nuvarande EV kan lösas med bättre batterier. Långsam laddning, för låg räckvidd, säkerhetsproblem, känslighet för kyla och även pris är alla egenskaper hos nuvarande lithium-jonbatterier.

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 är mer benägna att vara långvariga och laddas snabbare.

Att förbättra lithium-batterier

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

Det första är att förbättra katedelen av batteriet, som för närvarande mestadels är gjord av lithium och nickel i lithium-jonbatterier. En djupare förståelse av den kristallina strukturen och kemiska förändringen när ett batteri åldras kunde förbättra alla specifikationer för batterierna.

Anoder, för närvarande gjorda av grafit, kunde ersättas med 5-10 gånger mer energitäta silikon eller silikonoxid. Detta har hittills varit svårt, eftersom silikonanoder tenderar att “åldras” för snabbt. Grafit-silikonblandningar blir redan vanligare, och de kunde hjälpa till att öka batteriernas totala energi.

Att ändra elektrolyterna som kopplar anoden och kateden kunde också hjälpa. Nya typer av flytande lösningsmedel, mer koncentrerade elektrolyter eller kanske till och med gel-liknande elektrolyter kunde förbättra säkerhetsprofilen och öka batteriteten.

Slutligen är en bättre design ett alternativ för att optimera relationen mellan batterier och EV. Många EV-tillverkare börjar använda så kallade strukturbatterier som är både energilagring och strukturkomponenter i fordonet. Detta kan minska fordonets totala vikt, vilket leder till mer effektivitet och räckvidd. Rolls-Royce, Tesla och Volvo arbetar redan med denna idé, som kunde öka räckvidden med 16%.

Fast tillstånds batterier

Länge teoretiserade och långsamt gjorda verklighet i laboratorier, fast tillstånds batterier beskrivs ofta som den heliga graal inom batteriteknik.

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

Slutligen lovar sådana design nästan fullständig omladdning på 3-5 minuter, eller runt samma tid det tar att tanka en bil med bensin.

Många företag pratar om att lansera sin egen version av fast tillstånds 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 tillfället arbetar Tesla (TSLA) på sitt eget alternativ till fast tillstånds batterier, 4680-battericeller baserade på lithium-jonteknik.

Fast tillstånds batteriers problem

Utvecklingen av fast tillstånds batterier har plågats av svårigheterna att skala upp laboratorieprototyper till massproducerade produkter. Tillförlitlig, automatiserad och lågkostnadsproduktion är fortfarande under utveckling, och tidsplanen för ankomsten till marknaden för fast tillstånds batterier är troligen i horisonten 2026-2028 som bäst.

Källa: Vertex Holdings

Slutligen kommer fast tillstånds batterier att använda mycket mer lithium än nuvarande lithium-jonbatterier, något som kan orsaka en upprepning av den skenande prishöjningen för lithium 2022, när det gick upp 10 gånger på 2 år. Återvinning kan också vara svårt.

”Kondenserade” batterier

Kanske behöver vi inte vänta på fast tillstånds batterier för att se mycket högdensitetsbatterier. CATL har meddelat skapandet av ett “kondenserat ämne” batteri, som kan nå 500 Wh/kg. Företaget hävdar också möjligheten att uppnå massproduktion på kort tid, vilket kommer från sektorns ledare och inte en liten startup, är troligen trovärdigt.

Detta är en nivå av densitet som tidigare troddes vara uppnåelig endast av fast tillstånds batterier. Det är också nivån som krävs för att börja överväga elektriska flygplan och andra tillämpningar som hittills har varit omöjliga att elektrifiera.

Alternativa batterikemier

Det finns många möjliga alternativ till lithium-jon för att skapa ett batteri. Men endast ett fåtal batterikemier kommer att ha rätt blandning av låg vikt, hög densitet och säkerhet för att vara lämpliga för användning i mobila tillämpningar.

På lång sikt kan vissa av dessa alternativa batterier till och med ersätta de mer kostsamma lithium-batterierna, åtminstone när det gäller den mer prismedvetna massmarknaden för fordon.

Lithium-Järn(Ferrum)-Fosfatbatterier – LFP

LFP-batterier har under lång tid varit utanför mobila tillämpningar på grund av för låg energidensitet, typiskt 30-40% lägre än ett klassiskt lithium-jonbatteri. Den senaste versionen av denna kemi når nu densitetsnivån för äldre generationens lithium-jonbatterier, vilket gör dem livskraftiga för lågkostnadsfordon.

En stor fördel med LFP är att de inte kräver något nickel eller kobolt, båda ansvariga för priset på klassiska lithium-jonbatterier. I kontrast är järn och fosfat rikliga och billiga. LFP är också mer benägna att vara långvariga, vilket ytterligare minskar den totala livscykeln för batterisystemet.

Den ledande tillverkaren av LFP är den 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.

Ändå försummar det inte LFP-marknaden efter avslöjandet i augusti 2023 av en 700-kilometer LFP-batteri som kan ladda 400 km räckvidd på bara 10 minuter.

Natrium-jon

Förutom kobolt och nickel är lithium den andra nyckelresursen som går in i lithium-jonbatterier. I kontrast är natrium extremt rikligt och billigt och mycket mindre benägna att hamna i underskott regelbundet som lithium.

Den ledande kinesiska bil­tillverkaren, BYD, har meddelat sin avsikt att använda natrium-jonbatterier för sina nya lågprismodeller Dolphin och Seagull, med Seagull kanske så billigt som $10 000 (tyvärr, bara i Kina).

Detta följde meddelandet om en högdensitets natrium-jonbatteri av CATL 2021. I november 2023 meddelade den europeiska Northvolt ett genombrott i natrium-jon, som uppnår samma 160 watt-timmar per kilogram energidensitet som CATL.

Även om det är något mindre energitätt än LFP och mycket mindre än lithium-jon, kan natrium-jon vinna massmarknaden tack vare ett MYCKET billigare pris, potentiellt 1/3 av priset på nuvarande batterier som använder nickel.

Andra kemier

Medan det skulle vara för långt att titta på var och en för sig, finns det ganska många andra potentiella kemier som kan bli allvarliga utmanare för batterier som används i mobila tillämpningar. Men dessa tekniker är i ett tidigare skede, vilket gör deras antagande i EV osannolikt på kort sikt.

Glasbatterier

En fascinerande idé, som använder endast mycket rikliga material, som för tillfället andra forskare har kämpat för att replikera i sina egna laboratorier. Men med tanke på att denna idé stöds av Mr. Goodenough, uppfinnaren av lithium-jonbatteriet, är det inte att avfärda heller (tyvärr avled Mr. Goodenough sommaren 2023)

Grafenbatterier

Grafen, en enda lager av kolatomer, är extremt ledande. Företaget Graphene Manufacturing Group (GMG.V) driver på för grafen/aluminiumbatterier, som kunde ha en högre densitet än lithium-jon samtidigt som de laddas 70 gånger snabbare och varar 3 gånger längre. Företaget arbetar med gruvjätten (och grafitgruvarna) Rio Tinto för att starta produktion i skala för 2025.

Manganvätgasbatterier

Dessa batterier skulle använda magnesium för att ersätta lithium. Denna typ av batteri har beskrivits som “quasi fast tillstånd” och kunde hantera mycket bättre temperaturer så låga som -22 °C (- 7°F).

Lithium-svavelbatterier

Dessa batterier skulle använda lithium och svavel istället för dyra kobolt och nickel. Även på detta tidiga stadium visar de en anmärkningsvärt hög energidensitet. De har dock plågats av problem med hållbarhet och kommer att behöva bli mycket mer hållbara för att vara ett bra alternativ till befintliga kemier.

Källa: Vertex Holdings

Natrium-svavelbatterier

Dessa batterier hade för tillfället varit begränsade till tillämpningar där batteriet hölls vid höga temperaturer (300°C). Men nya elektrolyter som förhindrar svavellösning kunde ta bort detta krav. Så det kan bli ett nytt perspektiv för att hitta kraftfulla och billiga batterier.

Aluminium-jonbatterier

Denna teknik ersätter lithium-anoden med en aluminium-anod. Genom att använda en polymerersättning för grafit, kan dessa batterier uppnå hög lagringskapacitet.

Aluminium-Luft

Dessa “batterier” fungerar genom att förbruka aluminium som en bränsle, vilket ger EV som använder det en längre räckvidd än en bränslebil (1 600 km per tank), med en mycket tätare energidensitet än lithium-jon (1 350 W/kg). Detta gör det också till en potentiell elkälla för elektriska flygplan.

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

För tillfället verkar den främsta begränsningen för utvecklingen av denna teknik vara att den inte får offentligt stöd, varken som ett riktigt batteri, bränslecell eller vätgasbaserat, vilket gör det olämpligt för stöd från befintliga gröna policys.