Arkiv / Teknik

Nytänk om cellkonstruktion 24M

Creative commons license

Idag får ni Helena Bergs analys av ett amerikanskt batteriföretag, som heter 24M.
24M satsar på ny celldesign, som enligt dem ger en kostnadsreduktion vid tillverkningsprocessen.

Nytänk om cellkonstruktion: 24M tror på halverad cellkostnad 2020

skrivet av Helena Berg
I början av sommaren cirkulerade det ett antal nyheter om 24M och att de ska halvera batterikostnaden till 2020 [1-4]. Vilka är då 24M och vilken teknologi jobbar de med? Vad är nytt?
24Ms grundidé är ett traditionellt Li-jonbatteri som tillverkas på ett billigare och effektivare sätt. Företaget är amerikanskt och startade 2010 som en spin-off från A123. En av grundarna, Yet-Ming Chiang, är även en av grundarna av A123 och verksam vid MIT.
Precis som A123 jobbar 24M men Li-jonbatterier. Det nya är att 24M har en helt ny celldesign – de kombinerar Li-jon- och flödesbatterier. En av grunderna för konceptet är att reducera mängden inaktivt material i cellen och samtidigt öka kapaciteten, och förenkla produktionsprocessen avsevärt.
Sedan starten har de lyckats att attrahera ca 60 miljoner dollar från investerare och riskkapitalister, samt 4,5 miljoner dollar från Department of Energy [1,2]. Ca 50 personer jobbar i anläggningen i Massachusetts. Japanska IHI (tillverkare av bl.a. jetmotorer och turbiner) och thailändska PTT (statligt ägt olje- och gasföretag) är två av investerarna. Det finns även en, ännu hemlig, partner för att tillverka celler.
Redan 2016 tror man sig ha färdig C-prototyper och i dagsläget testas celler hos olika potentiella kunder. 24M säger sig ha tillverkat 10.000 celler. Första applikationen är grid-stabiliserande anläggningar. Målet är att ha en fullskalig produktionsanläggning som kan erbjuda celler till en kostnad på < $100/kWh – ca hälften av motsvarande Li-jonbatteri. Om detta är 2020 eller senare tål väl att diskuteras.
Vad är det då som är nytt med detta koncept?
Chiang och hans medarbetare såg tre vägar framåt för att drastiskt sänka batterikostnaderna: 1) storskalig produktion, 2) nya kemier eller 3) ett nytt sätt att designa cellen. 24M valde den senare vägen…
Allt bygger på ett helt nytt sätt att tillverka celler – advanced manufacturing. I fem år har man i mer eller mindre tystnad klurat på hur man ska tillverka Li-jonbatterier på ett mycket snabbare och kostnadseffektivt sätt. När Sony startade tillverkaningen av Li-jonbatterier under tidigt 90-tal gjorde man som Kajsa Warg – man tog vad man hade – tillverkningskunnande och –utrustning för kassettband! En process som tar tid, kräver många processteg och stora investeringar i dyr utrustning. 24M-grundarna ville tänka nytt. Och de verkar ha lyckats. För den historieintresserade finns företagets femåriga strävan att läsa om i en välskriven artikel gjord av Quartz [4].
Elektrodernas konstruktion är nyckeln till konceptet – semi-solida elektroder – en blandning av fast aktivt elektrodmaterial och vätskeformig elektrolyt. Blandningen är högviskös och inkapslas i ett avgränsat utrymme. Både anod och katod görs på samma sätt. De sammanfogs med en tunn elektrolyt emellan. På detta sätt kommer man bort från att använda ett bindemedel för att hålla ihop det aktiva materialet och ökar kontaktytan mellan aktivt elektrodmaterial och elektrolyt. 24M hävdar att 80 % av en cells inaktiva material reduceras med deras elektroddesign, samtidigt som kapaciteten ökar 5x för samma area [1].
Med de korta diffusionsavstånden mellan elektrod och elektrolyt kan man snabba på reaktionerna och på så sätt kombinera hög kapacitet och höga effektuttag på samma gång, vilket är svårt i ett traditionellt Li-jonbatteri.
Konceptet är i princip kemioberoende och inga nya kemikalier eller komponenter tillförs, utan man minskar bara mängden inaktivt material. Precis som traditionella Li-jonbatterier kan 24Ms celler göras i vilket format som helst och kan böjas och formas för att passa en viss konstruktion.
Förenklad cellproduktion
Grunden till kostnadsreduktionen är just tillverkningsprocessen enligt 24M. Tillverkningen förenklas då många komplicerade och tidskrävande produktionssteg elimineras. De menar att investeringen i produktionsanläggningen torde vara ca en tiondel av en motsvarande Li-jonfabrik. Ca 40 % av kostnaden för traditionella Li-jonceller härrör just från tillverkningen [4].
’We can get almost all the economies of scale with a $12 million factory’ – och att motsvarande fabrik av traditionella Li-jonbatterier skulle kräva en investering på 500 miljoner dollar – allt enligt 24M [2].
Då produktionen av elektroder inte innehåller lösningsmedel, som t.ex. måste dunsta, kan man eliminerar ett antal produktionssteg, vilket gör att produktionstiden blir kortare – ca en femtedel. Att inte använda lösningsmedel torde även göra att hela produktionen blir miljövänligare.
Grid först – kanske EV senare
I slutet av 2016 tror sig 24M, och den än så länge hemliga partnern, vara redo för att producera celler för grid-applikationer. En potentiell första kund är i behov av ca 75 MWh per år. Om de kommer att anta utmaningen att även tillverka celler för EV är helt avhängt hur elbilsmarknaden tar fart.
För att citera Chiang [3]: ’A start-up trying to tackle the EV market has a hard time. Been there, done that’.
Egna kommentarer
24M hävdar att de kan leverera celler till en kostnad på < $100/kWh, men det betyder ju inte att ett batteripack blir hälften så dyrt. I dagsläget finns det inget som säger att ett pack kommer att kunna förenklas eller göras billigt. Om vi antar att 24Ms celler skulle följa samma trender som övriga Li-jonbatterier när man går från cell till ett fullstort pack (dvs. 75 % av kostnaden för packet utgörs av celler) kommer 24Ms batteripack kunna bli 35-40% billigare.
Som vi brukar säga – läs batterinyheter som om de vore mäklarannonser: det som inte står är det avgörande. I fallet 24M finns idag inga offentliga uppgifter om Wh/kg eller Wh/L. Vidare torde 24Ms batteri innehålla mer elektrolyt än traditionella Li-jonbatterier, något som torde öka på vikten, eller?
Finns det extra krav på kylning av cellerna när de gör elektroderna tjockare och högre strömmar kan användas? Troligtvis kommer detta påverka både vikt, volym, pris och applikation.
Kan detta koncept vara det som för USA tillbaka på kartan som batteritillverkarland? Celler som är framforskade i USA, samt tillverkas där.
Kul att någon vågar tänka nytt – en smart lösning som ska bli intressant att följa.
Referenser 
[1] 24M emerges from stealth mode with new semi-solid Li-ion cell; <$100/kWh by 2020. länk
[2] 24M Unveils the Reinvented Lithium-Ion Battery. länk
[3] After five years and $50 million, 24M unveils new design for lithium ion batteries. länk
[4] The story of the invention that could revolutionize batteries—and maybe American manufacturing as well. länk