Första teknikuppköpet i Haldor Topsoes historia: Natrium-jonbatterier

Att ta steget från katalysatorer till batterier kan nog för många tyckas underligt, men det tycker inte Haldor Topsoe, som nyligen köpte upp 18 % av det brittiska företaget Faradion [1]. Detta är den allra första ’externa’ investeringen i Haldor Topsoes 74-åriga historia och görs för att bredda teknikportföljen, och ses som ett delsteg mot målet ’30 in 25’; intäkter på 30 miljarder DKK år 2025.
Investeringen är även starten för en ny progressiv era inom Haldor Topsoe där man satsar på partnerskap för att förvärva ny teknologi. Batterimaterial ses som ett ytterst strategiskt område och passar väl in i Haldor Topsoes kunnande och företagsprofil.
Faradion, som bildades 2010, utvecklar kostnadseffektiva natrium-jonbatterier (Na-jon) för att reducera totalkostnaden för energilager för både stationära applikationer så väl som för transportsektorn [2]. Under de senaste tre åren har Faradion varit mycket aktiva med att patentera sin teknologi; tolv patentansökningar har lämnats in. Detta torde vara en bidragande orsak till Haldor Topsoes intresse. Ur Faradions perspektiv är det ju mer än lägligt att ha en partner som är van att skala upp materialproduktionen.
Till danska tidningen Ingeniøren säger Ole Hansen, affärsutvecklingschef på Haldor Topsoe, att målet med den produkt man ska ta fram tillsammans med Faradion är Na-jonceller som kan ersätta Li-jonceller som är baserade på litiumjärnfosfat. Den tänkta applikationen är primärt för stationära anläggningar för att lagra solenergi, där det i dagsläget är för dyrt med Li-jonceller [3].
Tillsammans kommer Faradion och Haldor Topsoe att vidareutveckla Faradions teknik och skala upp vissa nyckeldelar för storskalig produktion.
Vad är ett Na-jonbatteri?
Na-jonbatteriet är Li-jonbatteriets yngre kusin. Båda teknologierna funderar på samma sätt där man låter joner (Na respektive Li) vandra mellan en katod som består av en metalloxid och en kolbaserad anod, dvs. varken metalliskt natrium eller litium används.
Prestandamässigt har ett färdigt Na-jonbatteri troligen en jämförbar energitäthet med ett Li-jonbatteri. Hur effektegenskaperna är beror på hur väl man lyckas i produktionen av de aktiva materialen, så väl som av själva cellen.
Natrium är en mycket billigare metall än litium, och finns ’i princip överallt’. Det produceras nästan 1500 ggr så mycket Na som Li per år och Li kostar drygt 30 ggr mer per kg. Om man grovt räknar med att materialkostnaderna för de aktiva materialen i en Na-joncell kostar hälften av de för en Li-joncell, ger detta ca 20-30 % lägre systemkostnad (om vi antar att systemdesignen är lika vad det gäller styrsystem och livslängd). En annan kostnads- och viktsbesparande fördel som Na-joncellen har är att man kan använda aluminium som strömuppsamlare för anoden, istället för koppar som i Li-jonfallet.
Produktionstekniskt torde dessa två batteriteknologier vara mycket likvärdiga och samma produktionsanläggningar kan till mångt och mycket användas för att producera Na-jonbatterier.
Än finns det inga kommersiella Na-jonbatterier på marknaden, men det pågår en hel del forskning och utveckling. Elektrodmaterial som är stabila vid cykling och i kombination med elektrolyten, och billiga och enkla att tillverka är viktiga forskningsfrågor. Vid Uppsala Universitet (Mario Valvo m.fl.) har man under ett antal år jobbat med att förstå hur materialen beter sig i en Na-joncell och hur materialen kan tillverkas på ett hållbart sätt. Nyligen publicerade man de senaste forskningsresultaten om järnoxid som anod [4]. Vid Chalmers pågår forskning främst kring elektrolyter för Na-jonbatterier kopplat till elektrokemiska processer. Strax innan jul presenterade Damien Monti sin Lic-uppsats ’Innovative Electrolytes and Electrodes for Sodium-Ion Batteries’, för abstract se [5]. Flera olika typer av elektrolyter har studerats för att förstå hur inte bara jonledningen kan optimeras utan även hela Na-joncellen.
Nästa vecka (21 feb, kl 13:15 i sal Kollektorn, MC2) kommer Erlendur Jónsson, också han från Chalmers, att försvara sin doktorsavhandling som behandlar modellering av elektrolyter för Li- och Na-jonbatterier, se [6] för abstract. En av de kritiska delarna i att tillverka celler av hög prestanda är elektrolyten. Termisk och elektrokemisk stabilitet är viktiga parametrar och Erlendur visar bland annat på att det finns ett antal lovande nya salter. Alla arbetena visar på likheter mellan de två batterikoncepten och att mycket av den kunskap som idag finns om Li-jonbatterier direkt kan appliceras på Na-jonbatterier.
Haldor Topsoes satsningar
Baserat på Haldor Topsoes långa erfarenhet och kunskap om storskalig produktion av högkvalitativa katalysatormaterial tog man för några få år sedan steget att applicera sitt kunnande på Li-jonbatterier. Kärnan i utvecklingen är katodmaterial för Li-jonbatterier och nya batterikoncept, och tonvikten läggs på kvalitet, skalbarhet och kostnad.
Som många andra har även Haldor Topsoe identifierat ett ökat behov av batterier för både stationära och mobila applikationer. Utifrån sina beräkningar har man kommit fram till att från 2015 är behovet av katodmaterial minst 75 000 ton per år.
För att lyckas tillverka bra katalysatorer är det oerhört viktigt att förstå hur morfologin hos de aktiva materialen påverkar prestandan. Att förstå ytkemin och syntesmetoder, hur slurries och beläggningar beter sig relaterat till materialegenskaperna är det centrala i katalysatortillverkning. Till sin hjälp har man olika materialkaraktäriseringsmetoder. Precis samma kunskap behövs för att göra batterimaterial. Haldor Topsoe har utökat sin forskningsavdelning med ett tiotal personer för att applicera den ’gamla’ kunskapen till en ny applikation. Ett intressant grepp är att även några få av dessa specialister är placerade i Ulm, Tyskland. Detta är ett strategiskt drag för att knyta sig ännu närmare befintlig kompetens. I området kring Ulm finns mycket kunnande inom Li-jonbatteriområdet med Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) och det nya Helmholtz-institutet för batteriforskning som är under uppbyggnad. Vidare finns det starka kopplingar till fordonsindustrin i regionen.
Haldor Topsoe jobbar sedan 1989 även med bränslecellsutveckling, vilket 2003 ledde till att man skapade Topsoe Fuel Cell, med drygt 100 ingenjörer och specialister, för att utveckla och kommersialisera Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) [7]. Det återstår att se hur lång tid det tar innan Topsoe Sodium Ion bildas…
Egna kommentarer
Haldor Topsoes satsning är helt rätt. De skapar nu en unik nisch och skapar på så sätt en konkurrensfördel för europeisk batteritillverkning för att få ut kostnadseffektiva lösningar på marknaden.
Det som återstår att se är hur Na-jonteknologin står sig livslängdsmässigt gentemot Li-jonteknologin.
[1] Topsøe invests in UK-based battery technology company Faradion. 6 feb 2014.länk
[2] Faradion
[3] Haldor Topsøe investerer i natriumbaserede batterier. ing.dk. 6 feb 2014. länk
[4] Towards more sustainable negative electrodes in Na-ion batteries via nanostructured iron oxide, Mario Valvo et al., Journal of Power Sources 245 (2014) 967-978
[5] Innovative Electrolytes and Electrodes for Sodium-Ion Batteries. Damien Monti. Chalmers länk
[6] Ab initio modelling of alkali-ion battery electrolyte properties. Erlendur Jónsson. Doktorsavhandling. Chalmers. länk
[7] Topsoe Fuel Cell