Europa roadmap om R&D behov för batterier

skrivet av Helena Berg
Ett 50-tal intressenter samlades tidigare i veckan i Bryssel när EUROBAT presenterade sin roadmap om R&D-behov för batterier 2030. Själva rapporten har varit tillgänglig ett tag [1].
EUROBAT är batteritillverkarnas förening och består till största del av bly-syratillverkare. EUROBAT vill stödja e-mobility i Europa.
Detta nyhetsbrev är en sammanfattning av rapporten och det som sades under själva presentationen.
Roadmapen är en första version, eller v0 som de uttryckte det, och är den europeiska batteriindustrins vision för de tekniska förbättringar som bör göras för att olika tekniker ska kunna matcha fordonstillverkarnas behov. Rapporten ska även ses som ett underlag för beslutsfattare att prioritera forskningsmedel.
Drivkraften är att skapa förutsättningar för cell- och packproduktion inom EU; allt för att EU ska behålla konkurrenskraften. Inom EU är vi starka på materialforskning, men riktigt dåliga på att omsätta forskningsresultat i egenproducerade batterier.
I princip säger rapporten inget nytt – de tycker att prestanda, kostnad, systemintegration, produktionsprocesser, säkerhet och återvinning bör prioriteras. Typ allt med andra ord.
Det intressanta är hur de skriver rapporten och vad de inte skriver i den.
För att göra sammanfattningen kort så ska det satsas på bly-syra-, Li-jon- och Na-Ni-Cl-batterier – vilket stämmer mer eller mindre överens med EUROBATs verksamhet. De tror inte att någon annan batteriteknik kommer finnas för fordonstillämpningar 2030.
Intressant är att de även lyfter bristen på kompetens och folk att anställa. 2,35 miljoner arbetstillfällen tror EUROBAT kommer finnas inom EU kring batterier 2050 – idag ca 30.000 inom batteritillverkning enbart. Främst eftersöker EUROBAT högutbildade kemister för att utveckla nya material, men de ser en stor brist på elektroingenjörer och produktionsingenjörer. Företag, EU och nationella myndigheter bör satsa på att utöka kunskapen för att fylla det gapet anser EUROBAT.
Under presentationen var det även en paneldebatt, men tyvärr gick fokus snabbt bort från batterier och handlade om e-mobility i stort, trots att alla var ense om att batteriet är nyckeln till e-mobility.
Batterityp per grad av elektrifiering
EUROBAT delar upp elektrifierade fordon i fem grupper med olika krav på batteriet och olika lämpliga batteritekniker för att möta fordonskraven:

• Start-stopp: batteriet måste klara djupare cykler och ha bättre laddningsmottaglighet än att bara fundera som ett vanligt startbatteri. Effektprestandan är det viktiga och enda lösningen är avancerade bly-syrabatterier pga kostnadsaspekten.
• Micro- och mild-HEV: batteriet har samma krav som för start-stopp samt att det ska ta tillvara bromsenergi. Enda lösningen är avancerade bly-syrabatterier pga kostnadsaspekten.
• full-HEV: effekt är viktigare än energi, och NiMH- och Li-jonbatterier är bästa alternativen.
• PHEV: energi och effekt måste balanseras väl pga. den dubbla funktionaliteten hos batteriet. Li-jonbatterier är lösningen för lättare fordon och Na-Ni-Cl kan vara ett alternativ för tunga fordon.
• BEV: energiprestandan är det enda viktiga (förutom säkerhet) och som för PHEV är Li-jonbatterier lösningen för lättare fordon och Na-Ni-Cl kan vara ett alternativ för tunga fordon.

En enda teknik är inte lämplig för alla typer och fordonskrav bör matchas med batteriegenskaper.
För alla fordon med förbränningsmotor menar EUROBAT att startbatteriet (12V/24V) alltid (?) kommer vara ett bly-syrabatteri – pga. kallstartsprestanda, robusthet, kostnad och kompabilitet med övriga komponenter.
Utvecklingspotential per teknik
Tre tekniker är av intresse för 2030 enligt EUROBAT – bly-syra, Li-jon och Na-Ni-Cl. Följande utveckling per teknik anser de man ska satsa medel på:
Bly-syra:
EUROBAT menar att bly-syratillverkarna i Europa är världsledande när det gäller avancerade bly-syrabatterier och 2014 såldes 14 miljoner inom EU, förutom ’vanliga’ startbatterier, vilket motsvarar ca 25 % av alla sålda [2]. Navigant uppskattar att 2024 är behovet ungefär 60 miljoner batterier [3]. 48V-system tros vara en av drivkrafterna för den ökade försäljningen. EUROBAT tror att 48V-systemen kommer vara bly-syrabatterier just av kostnadsskäl, men att Li-jonbatterier kan även finnas, men då i kombination med ett ’vanligt’ bly-syrabatteri som startbatteri.
Genom att blanda in kol i nanostorlek kan man öka batteriets ledningsförmåga och om man dessutom modifierar elektrodytorna kan laddningsmottagligheten öka.
Bipolära cellkontruktioner tror man även kan förbättra prestandan, och då främst energi- och effekttätheten.
SOC-bestämning kommer vara en av nyckelfrågorna för bly-syra då det kommer användas inte enbart i fulladdat tillstånd.
Produktionsmässigt tror man att tiden kan kortas med 2/3 om cellformeringen kan göras på annat sätt. Vidare kan kostnaderna sänkas (från dagens 50-100 €/kWh) genom automatiserade processer och att öka andelen återvunnet bly i nyproduktion. Idag är ca 85% av det bly som används från återvunna bly-syrabatterier.
EU bör satsa på materialutveckling och demo-projekt av micro- och mildhybrider med bly-syrabatterier, allt enligt EUROBAT.
Li-jon:
EUROBAT ser ljust på framtiden för Li-jonbatteriproduktion inom EU – både celler och pack. Dock kräver detta stora investeringar och EUROBAT eftersöker statliga/regionala satsningar och att en bra bas är Green Car Initiative inom Horison2020.
För att öka energidensiteten vill man satsa på nya katodmaterial – både högre spänning och högre kapacitet. Då skulle energidensiteten öka på cellnivå från 170 Wh/kg till 290 Wh/g år 2030.
Förutom energidensiteten är det åldringsprocesser som de sätter som prioritet. Termisk styrning, samt robusta estimeringar av SOC och SOH.
Kostnaden kan reduceras med ungefär 70% till 2030 – lika fördelat på cellproduktion som pack. Även modularitet, standardiserade cellformat, säkringar och sensorer bidrar till sänkta kostnader.
Cellproduktionskostnaderna kan t.ex. sänkas genom att använda andra lösningsmedel för elektrodproduktion, integrerade produktionssteg, minska behoven av renrum till enbart maskiner, och att förenkla cellformeringssteget.
EU och andra bör satsa på SOC, SOH, diagnosverktyg, produktionsprocesser och återvinning, förutom nya material för att öka energi- och effekt-prestandan.
Na-Ni-Cl:
Det finns endast en tillverkare av Na-Ni-Cl-batterier i Europa, kanske i hela världen – schweiziska FIAMM. Det är en högtemperaturteknik som kräver termisk inkapsling och som är mekaniskt känslig pga. en keramisk separator. Tekniken är testad i fordon. Th!nk gjorde några försök och IVECO har testat i elbuss.
EUROBAT anser att tekniken är lämplig för tunga fordon (PHEV och BEV).
I rapporten kan man läsa att de flesta parametrarna kan förbättras med 20-25% till 2030, men sällan anges dagens läge. Effekt känns som något de inte vill varken skriva eller nämna. Till största del är det produktionen som bör förbättras och att katodmaterialet optimeras. Livslängden är nu ca 2000 cykler, baserat på fälttester.
Under presentationen i veckan var det mer ’our product’ än ’the technology’ som det refererades till. Återvinning såg man inte som något problem. EU-medel bör satsas på alla områden för denna teknik. Under presentationen var det många ’on-going projects’ så det var lätt att uppfatta att allt redan var omhändertaget och på spår.
Vad saknas i rapporten?
Egentligen är rapporten ganska tunn när det gäller konkreta åtgärder och ska verkligen ses som en första version av något som kan vara utgångspunkten för djupare analyser.
NiNH nämns, men EUROBAT anser att detta är en teknik som är mer eller mindre färdigutvecklad och som inte kräver några R&D-satsningar och behandlas inte i rapporten. Den tekniska mognadsgraden är hög och endast marginell utveckling kan göras för att öka prestanda och sänka kostnaderna till 2030.
2014 skrev EUROBAT en review-rapport som batteritekniker för fordon [4]. Medförfattare var fordonstillverkarna i EU, Japan och Korea genom deras sammanslutningar EUCAR, JAMA, och KAMA. Mycket av EUROBATs roadmap bygger på denna review.
EUROBAT skriver uttryckligen att Zn-luft, Li-S och Li-luft ej är intressanta för fordon 2030. Utvecklingen är i ett tidigt stadium för dessa och anses inte mogna. EUROBAT anser att det är en stor osäkerhet kring prestanda, robusthet, kostnad, produktionsmöjligheter. Det kan ta upp ytterligare 15-25 år innan dessa tekniker har nått en mognadsgrad som krävs för fordon.
Det saknas även en hel del konkreta åtgärder för att nå förbättringspotentialerna som anges. Finns några undantag: inblandning av kol i bly-elektroder, hög-V-katoder för Li-jonbatterier, vattenbaserade lösningsmedel vid produktion av Li-jonbatterier. De skriver att grafitelektroden i Li-jonbatterier kommer att ersättas med ett material med högre kapacitet, men de ger inga exempel. Kisel-baserade anoder avses, men det står inte i text. Men annars är det mest ’fluffiga’ förbättringar som termisk styrning, SOC- och SOH-funktioner, förståelse av åldingsmekanismer, robusta produktionsprocesser, osv. – inget konkret att starta från då utgångsläget inte alltid presenteras.
Egna kommentarer
Rapporten är en ’v0’ och det märks. Det är ett antal områden som EU (och andra) bör finansiera. Men det nämns få konkreta vägar framåt. För den icke-insatte ger rapporten väldigt lite stöd för vad som bör göras i konkreta projekt. Min bedömning är att rapporten är så allmänt hållen att i princip allt kommer täckas av kommande utlysningar inom Horison2020.
Till mångt och mycket beskrivs inte ’state of the art’. En uppdaterad version vore välkommet, något som de tänkte göra. Dock utan att ge en tidsplan.
Intressant att de lyfter kompetensbehovet. Var alla dessa drygt 2 miljoner arbeten inom batteriindustrin ska komma från fanns inte på kartan, och heller nämndes inget om den strategi för energiområdet som EU tagit fram där batterikompetens är ett av 10 prioriterade områden [5].
Jag saknar Na-jonbatterier som en potentiell teknik 2030. Men min tolkning är att ingen av EUROBAT-medlemmarna sysslar med denna teknik. Möjligtvis SAFT, men de vill nog inte avslöja vad de har i forskningsportföljen.
Varför Na-Ni-Cl-batterier fått så stort utrymme är mig frågande, då denna teknik borde vara mest lämpad för stationära applikationer. Men FIAMM är ordförande i EUROBAT, kanske spelar roll…
EUROBAT ser att alla tekniker har en plats inom e-mobility. De vill ju få avsättning för sina produkter och inte tappa marknadsandelar. De säger själva att de inte vill bli utkonkurrerade, eller ’forced and regulated out’. Så man skulle kunna tolka EUROBATs roadmap som ett nödrop för att bibehålla produktion av avancerade bly-syrabatterier och industristöd till ett schweiziskt bolag, så att inte allt fokus blir på Li-jonbatterier och post-Li.
EUROBAT är kvar i gamla hjulspår ett tag till… Business as usual!
Referenser
[1] EUROBAT E-mobility Battery R&D Roadmap 2030. länk (pdf)
[2] Data från EUROBAT
[3] Navigant Research, 2015, länk
[4] A review of Battery Technologies for Vehicle Applications.  länk
[5] Towards an Integrated Strategic Energy Technology (SET) Plan: Accelerating the European Energy System Transformation. 2015. länk (pdf)