Ultra-Hållbara Batterier: Varför nästa generations teknik kommer att hålla i årtionden, inte bara år

Batterier gjorda för att hålla

As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.

Detta kan delvis kompenseras av andra låga koldioxidkällor, som vattenkraft eller kärnkraft, eller kanske geotermisk energi i framtiden. Ändå skulle förespråkarna för grön energi med största sannolikhet föredra att lågkostnadssol (och vind) blir grunden för våra energisystem.

Detta skapar en efterfrågan på batterier med fundamentalt annorlunda egenskaper än för mobilitet.

Elbilar behöver mycket energitäta batterier som är lätta i vikt och små i volym för att kunna bäras i bilens ram. Hållbarhet är en oro, men så länge batteriet kan fungera i 10–15 år är detta sannolikt i linje med hållbarheten hos resten av bilens komponenter.

I kontrast är energilagringsbatterier mycket mindre begränsade av vikt eller volym. De är dock definitivt begränsade av kostnad, eftersom de i praktiken är en extra kostnad för produktionen av grön energi och elnätet.

Ett sätt att minska kostnaden för energilagring är att använda billigare material än litium för att bygga batteriet. Många alternativ övervägs, som vi tidigare diskuterade i “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”: batterier som använder teknologier som natriumjon, järn‑luft, zink, havssalt, polymerer, natriumsulfur eller till och med smälta metaller.

En annan nyckelfaktor för att minska livstidkostnaden för ett batterisystem är att få det att hålla i flera decennier. Genom att amortera investeringen över många år blir kapitalkostnaden för batteriet mycket lägre på årsbasis. Och detta är något som elbolag sannolikt känner sig bekvämare med, eftersom de är vana vid att amortera nya kraftverk över 30–50 år.

Varför går batterier sönder?

Död genom dendriter

Innan vi bygger ett batteri som håller nästan för evigt måste vi titta på varför de flesta batterier förlorar laddning över tid eller slutar fungera.

En nyckelfaktor, särskilt för litiumjonbatterier, är tillväxten av dendriter. Denna stalaktitliknande struktur växer från felaktig ansamling av metall i batteriet och kan med tiden bryta barriären mellan katod och anod, vilket potentiellt leder till en kortslutning och en katastrofal brand.

Källa: Nobel Prize

På grund av denna brandrisk är dendriter ett särskilt allvarligt problem för elbolag, eftersom en brand i en battericell snabbt kan spridas till en hel flerkostnadspark med batterier i närheten. Så idealiskt bör en batteriteknik som är gjord för att hålla ha nästan ingen risk för att bilda dessa dendriter.

Det bör också noteras att även om dendriter mest diskuteras med litiumjonbatterier, är detta ett vanligt problem för de flesta batterier som använder metalliska anoder och/eller katoder.

Laddningsförlust

Ett annat sätt batterier kan gå sönder på är genom att långsamt förlora sin förmåga att lagra energi. Detta beror vanligtvis på att en del av metallen som används i elektroden långsamt ackumuleras i en form som inte kan omvandlas tillbaka till något användbart.

Källa: EnergSoft

Andra orsaker kan vara små sprickor som bildas av mekanisk och termisk stress, förlust av strukturell integritet, ansamling av oönskade avlagringar osv.

Källa: EnergSoft

Så ju mer en batteriteknik är mottaglig för denna långsamma nedbrytning, desto mer minskar den totala laddningen, vilket gradvis gör batteriet oanvändbart. Dessutom tenderar degraderade batterier att hålla laddning sämre och slösa mer av den lagrade energin, vilket gör dem ännu mindre lönsamma.

Den ideala batteritekniken skulle alltså inte vara mottaglig för långsam nedbrytning av dess beståndsmaterial, eller kunna regelbundet regenereras till ett optimalt tillstånd utan att behöva återvinna hela systemet.

Om du vill lära dig detaljerna om hur batterier degraderas, kan du även titta på denna 22‑minuters video:

Cykellivslängd

Batterihållbarhet kan vara svårt att mäta. Till exempel mäts de flesta elbilsbatterisystem vanligtvis per mil, eller hur långt elbilarna kan köras innan ett nytt batteripaket behövs.

Ett annat sätt att mäta det är genom antalet laddnings‑urladdningscykler som kan genomföras innan batteriet förlorar en betydande del av sin totala laddning. För energilagring kan man förvänta sig en regelbunden cykel av laddning‑urladdning, upp till 1–3 per dag.

Slutligen är hur länge en laddning kan hållas också en viktig fråga, eftersom de flesta batterier förlorar en liten del av sin laddning varje dag. Samtidigt kan vinden sluta blåsa i veckor, och vinterdagar är de med minst sol och högst energiförbrukning, särskilt i kalla klimat. Så i teorin skulle ett batteri som kan leverera kraft utan stor förlust i veckor eller till och med månader vara det ideala alternativet.

Temperaturtolerans

De flesta batteriteknologier är mer än lite intoleranta mot kyla, särskilt under fryspunkten. Eftersom storskalig energilagrning sannolikt kommer att ske utomhus nära ett kraftverk, kan detta vara ett allvarligt problem i kalla klimat under vintern. Om en betydande del av den lagrade energin används för att hålla batterierna varma kan det kraftigt påverka ekonomin för att driva dessa batterier.

Ultra Hållbara Batteriteknologier

Honungskombibatterier

Även om alternativa kemier i slutändan kommer att vinna för att driva ett helt förnyelsebaserat elnät, tittar batteritillverkare också på sätt att göra sin nuvarande teknik mer hållbar.

Ett sådant exempel är CATL:s (300750.SZ) honungskombibatterier. Batterijätten CATL, som producerar mer än hälften av världens batterier, satsar stort på denna teknik. Den verkar delvis baseras på en idé som redan föreslogs i ett vetenskapligt papper från 2020 med titeln “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

Källa: Phys.org

Från ett vetenskapligt papper 2021, kan vi lära oss några av de viktigaste fördelarna med honungskombiformer, särskilt låg densitet och hög kompressions- och skjuvningsstyrka i plan (motstånd hos material mot krafter som verkar parallellt men i motsatta riktningar).

Denna förändring i batteriets fysiska konfiguration håller materialet på rätt plats, vilket undviker sprickor och sammandragning under laddning.

Även om det inte är klart hur CATL gjorde det, är några av dessa metoder kända; till exempel kan på varandra följande termiska och kemiska behandlingar med kol och syra skapa en nano-honungskombistruktur.

Källa: Chemistry Europe

Källa: Chemistry Europe

Sammanfattningsvis verkar honungskombibatteristrukturen undvika sprickor och dendriter, vilket skapar ett ultra hållbart batteri samtidigt som den fortfarande bygger på den väl förstådda principen för litiumjon- och LFP (litiumjärnfosfat) batteriteknologier.

Det är sannolikt kärnan i CATL:s nya produkt, TENER containerized LFP battery system, som har visat noll nedbrytning i kapacitet efter fulla 5 år i drift.

TENER börjar nu kommersialiseras av CATL till elbolag.

Källa: Sustainability Environment

Fast tillståndsbatterier

Förutom förändringar i kemin kan själva sättet batterier byggs på förändras för att skapa tätare och mer hållbara batterier.

Detta är idén bakom fast tillståndsbatterier, som ersätter den flytande elektrolyten i de flesta batteridesign med ett fast metallskikt. Detta bör i teorin bygga de mest energirika batterierna, även om de kanske inte är de billigaste.

Tills nyligen har detta varit en svår idé att implementera i skala, eftersom det kräver perfekt kontakt mellan metallskikten. Mekanisk rörelse vid laddning‑urladdning leder ofta till att sprickor bildas.

Källa: Flash Battery

Dock senaste utvecklingen av många företag som QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) eller Hyundai (HYMTF) med batterifabriker och massproduktion för 2028–2030 indikerar att tekniken nu blir mogen.

I teorin skulle välutvecklade fast tillståndsbatterier kunna successivt ersätta alla litiumjon-, LFP- och till och med natriumjonbatterier i elbilar.

Deras slutpris är ännu okänt när de produceras i skala för att avgöra om de blir tillräckligt billiga för lagring av energi i elnätet. Kanske speciella koncept som anodfria natrium fast tillståndsbatterier kan hantera detta, eftersom de undviker användning av dyrt litiummetall.

(Du kan lära dig mer om investeringsmöjligheter i denna teknik i “5 bästa fast tillståndsbatteriaktier att hålla utkik efter eller köpa”).

Zinkbatterier

Eftersom zink är en mycket billig och riklig metall har den använts i engångsbatterier under lång tid. Återanvändbara batterier kan också byggas med zink, särskilt zinkbaserade vattenbatterier (ZABs).

Det är dock en design som har plågats av dendritbildning, parasitisk väteutvecklingsreaktion (HER) och ytkorrosionspassivering, vilket kraftigt minskar dess användbarhet.

Detta förändras tack vare ny forskning vid Tekniska universitetet i München¹. De använde en porös organisk polymer kallad TpBD-2F. Detta material bildar en stabil, ultratunn och mycket ordnad film på zinkanoden, vilket tillåter zinkjoner att flöda effektivt genom nanokanaler samtidigt som vatten hålls borta från anoden.

Källa: Advanced Energy Materials

De sammansatta fullcellerna (Zn-jonkondensatorer) levererar en ultralång cykellivslängd på över 100 000 cykler, en förbluffande hållbarhet, tack vare nästan fullständig undertryckning av dendritbildning samt ingen HER och korrosion.

Förutom zinkbatterier tror forskarna att detta koncept kan utökas till andra metallanoder: litium, natrium, kalium, aluminium osv.

TAQ-polymer och natriumjonbatterier

Polymer (kol) och natrium istället för litium kan vara ett bra sätt att minska priset på råmaterial som går in i ett batteri. Detta är vad forskarna vid MIT kombinerade i sin TAQ-natriumjonbatteri.

I de initiala testerna klarade den 2 000 laddnings‑urladdningscykler utan synlig nedbrytning, samtidigt som den presterade med högre energitäthet än litiumbatterier och ultra‑snabb 6‑minuters laddning.

Detta visar att batterikemin som sannolikt vinner loppet om ultra hållbara batterier i slutändan kanske inte bara är mer av samma sak utan en radikal omprövning av vilka material som kan användas i ett batteri, där både billiga och rikliga element som kol och natrium är bra kandidater.

Smälta metallbatterier

De flesta batterikoncept är baserade på överföring av elektroner mellan ett oxidationsstadium av fasta metallatomer till ett annat oxidationsstadium. I dessa måste anoder och katoder vara perfekt separerade för att undvika kortslutningar.

Ju mer metall och desto färre flytande delar som elektrolyter, desto bättre, som i fast tillståndsbatterier, eller så går riktningen för de flesta i batteribranschen.

Genom att radikalt utvidga vad som kan betraktas som ett batteri gör smälta metallbatterier motsatsen: alla tre huvudkomponenter, anod, katod och elektrolyt, är flytande.

De separeras spontant från varandra tack vare olika vätsketyper. Att det inte finns några fasta komponenter bör i teorin öka batteriets livslängd dramatiskt, samt möjliggöra mycket snabb laddning och urladdning och att det är helt återvinningsbart.

Källa: Ambri

Det Bill Gates-stödda företaget Ambri, som använder ett kalcium- och antimonbatteri, har varit en förespråkare för denna teknik. De planerade att produce 200 000 battericeller per år i sin nya fabrik år 2024.

Detta gick dock inte i lås, då företaget fick slut på pengar innan de kunde skala upp produktionen. Det har sedan kommit ur konkurskapitel 11 sommaren 2024, och kommer fortfarande att ledas av medgrundaren Dr. David Bradwell som VD.

Vi ser fram emot att erbjuda vår unika, säkra och lågt kostade kommersiella produkt till våra kunder i stor skala, för att möta den starka kundefterfrågan på våra batterisystem och för en renare energiframtid.

När vi påbörjar denna nya start med en starkare balansräkning och nytt kapital fokuserar vi på att positionera Ambri för att spela en ledande roll på marknaden för långvarig energilagring till förmån för våra intressenter.

David Bradwell

Så Ambri är inte död ännu, och det är inte det enda företaget som arbetar med smälta batterier. Det japanska företaget NGK insulator (NGKIF) arbetar också på ett natrium-svavel smält saltsbatteri, och företaget Horien arbetar på ett natrium-nickel-kloridbatteri.

Båda företagsprodukterna är redan kommersialiserade och har en livslängd på över 20 år.

Värme‑/termobatterier

Genom att ännu mer utvidga definitionen av batteri från elenergilagring till helt enkelt någon form av energilagring, lagrar värmebatterier grön kraft i form av värme istället för elektrokemisk energi.

Detta kan ge flera viktiga fördelar jämfört med ”vanliga” batterier:

• Värmebehållning över flera månader är fullt genomförbart med tillräcklig isolering, medan kemiska batterier alltid läcker mer energi per dag.
• Det mesta av materialet som håller värme kan cyklas hundratusentals gånger utan betydande nedbrytning.
• Materialen som används är billiga och rikliga, till exempel sand eller rent kol.

Kombinationen av billiga material, nästan ingen nedbrytning över årtionden och energilagring i flera månader gör värmebatterier till ett bra alternativ.

Det är främst privata företag som utforskar denna idé, särskilt det finska företaget Polar Night Energy, som lagrar överskottsenergi från sommaren till vintern, med endast lågkvalitativ sand och lite metall för ramen och rörsystemet.

Källa: Polar Night Energy

Ett liknande värmebatteri föreställs av Rondo Energy, med keramiska tegelstenar som kan värmas upp till så mycket som 1500 °C, och använder värmen för industriella processer som cement- eller stålproduktion.

Källa: Rondo Energy

Sammanfattningsvis kan detta vara ett utmärkt alternativ för att avkarbonisera sektorer som fortfarande förbrukar mycket fossila bränslen, som tung industri och vinteruppvärmning av lägenheter. Särskilt eftersom designen kan hjälpa till att lagra energi från den soliga sommaren till den mulna vintern.

Den lagrade värmen kan till och med omvandlas tillbaka till kraft, tack vare termofotovoltaiska celler, med forskare vid University of Michigan som har utvecklat celler med en rekordhög verkningsgrad på 44 %².

Källa: Design Boom

Slutsats

Batterisystem för elnät och hem kommer sannolikt att vara mindre beroende av den nuvarande litiumjontekniken och mer på billigare och mer hållbara teknologier, även om de är mindre energitäta. För närvarande är de som är redo för masskommersialisering avancerade honungskombistrukturerade LFP- och natriumjonbatterier.

På lång sikt är det troligt att mer exotiska lösningar läggs till blandningen, som smälta metall, zink, polymer eller värmebatterier. I slutändan kommer hållbarhet, materialkostnad och tillverkningskostnad sannolikt att vara den avgörande faktorn för vilka som blir den ”slutgiltiga” ultra hållbara energilagringen.

Det vill säga, om fast tillståndsbatterier inte visar sig vara tillräckligt billiga för att ta över hela marknaden för energilagring, vilket är en tydlig möjlighet.

Ultra-Hållbart Batteriföretag

QuantumScape

Sedan dess grundande 2010 har det kaliforniska QuantumScape varit en framstående startup inom fast tillståndsbatterier, anmärkningsvärd för sitt tidiga inträde i området och sin oberoende från större batteritillverkare som också satsar på fast tillståndsteknik, som CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

Källa: QuantumScape

En unik egenskap hos QuantumScape-batterier, som på den tiden ansågs revolutionerande, är att de använder en anodfri design. Den möjliggör ~15‑minuters snabbladdning (10‑80 % vid 45 °C) och separatorn är icke‑brandfarlig och icke‑brännbar.

Källa: QuantumScape

Detta placerar också QuantumScape-batterier i en egen liga när det gäller energitäthet och laddningshastighet, och överträffar kraftigt ledare som Tesla (både dess egen design och CATL‑tillverkade).

Källa: QuantumScape

Dock har dessa anmärkningsvärda prestanda regelbundet hindrats av svårigheter att skala upp produktionen. Det tvingade också företaget att bränna igenom sin kassareserv, vilket ledde till tidigare investerarnas utspädning och aktiekursens nedgång.

Det verkar förändras sedan avtalet 2024 med PowerCo, Volkswagen Groups batteridivision, för ett licensavtal för design och massproduktion av QuantumScape-batterier av PowerCo.

Enligt det icke‑exklusiva licensavtalet kan PowerCo tillverka upp till 40 GWh per år av elbilsbatterier, med möjlighet att expandera till 80 GWh per år.

Den plötsliga uppskalningen av QuantumScape-produktionen verkar vara kopplad till Cobra, företagets nästa generations fast tillståndsbatteri separatorutrustning, ett genombrott inom keramikproduktion.

Sammanfattningsvis bör Cobra integreras i produktionen 2025, och den första färdiga elbilen som använder QuantumScape-batterier bör produceras 2026.

Källa: QuantumScape

Detta kan vara en vändpunkt för företaget, som 16 år efter grundandet går från en lovande startup med intressant immateriell rätt till att generera växande intäkter från ett partnerskap med en av världens största biltillverkare.

Under tiden bör investerare fortfarande förvänta sig viss volatilitet i aktiekursen, men med ett ljus i slutet av produktutvecklingstunneln.

Senaste om QuantumScape

Studierreferens:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Jontransportkinetik och gränssnittsstabilitetens förstärkning av zinkanoder baserade på fluorerade kovalenta organiska ramverkstunna filmer. Advanced Energy Materials. 13 oktober 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) Högpresterande luftbryggstermofotovoltaiska celler. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17 juli 2024.}