Sju artiklar om batterier i Nature Outlook
Helena Berg
2015-11-13
Idag får ni Helena Bergs sammanfattning av sju artiklar om framtiden för batterier. Artiklarna finns att läsa utan kostnad på Nature Outlooks hemsida.
Helena har forskat och arbetat länge med batterier. Hon har sammanfattat en del av sina kunskaper i en ny lärobok, som heter ”Batteries for Electric Vehicles”. Ni som vill gräva djupare kan läsa hennes bok.
Vi i redaktionen arbetar just nu med att skriva ett nyhetsbrev om bra läroböcker, rapporter och artiklar inom vårt bevakningsområde.
Målet är att få fram en litteraturlista på ca 20 texter som lämpar sig för självstudier.
Ni får gärna skriva in och tipsa om bra litteratur. Skriv gärna en motivering om varför ni rekommenderar ert tips.
Ha en ljuvlig helg!
Nature Outlook:s sju artiklar om batterier
skrivet av Helena Berg
Li-jonbatterier är den teknik som under de senaste 30 åren förändrat vår livsstil och möjliggjort den teknikutveckling vi sett, framförallt inom konsumentelektronik. Men har tekniken nått sin bortre gräns?
Nyligen belystes frågan i ett specialnummer av Nature – Nature Outlook Batteries [1]. Totalt sju artiklar författade av journalister och en inledande artikel av chefen för Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) vid Argonne National Lab i USA.
I dagens nyhetsbrev gör vi en sammanfattning av detta specialnummer.
Från atom till stora pengar
Om man läser hela Nature Outlook får man ta del av Li-jonbatteriets historia och de första utmaningarna, hur ett batteri fungerar, nya tekniker och nya utmaningar, och återvinning. En spretig Outlook som till viss mån upprepar sig i de olika artiklarna. Fokus känns som ’smart BEV’ och smart grid’; att dessa två kommer möjliggöra ytterligare tekniksteg och utveckla samhället.
De olika journalisterna har grävt i tekniken, men framförallt har de intervjuat forskare och företagare om hur dagens teknik står sig och vad som återstår att göra för att en BEV ska bli billigare och kunna köra längre.
Att ta tillvara på sol- och vindenergi är en drivkraft för USA och därigenom minska sitt beroende av omvärlden för sin energikonsumtion. Ca 2 % av USAs energi går till portabel elektronik (telefoner, datorer, osv.) och i stort sett är det uteslutande Li-jonbatterier som används – en marknad på 15-20 miljarder dollar. 70 % av energikonsumtionen går till tranporter och elanvändning (antar att de återstående 28 % är relaterade till tillverkningsindustrin). Om hälften av dessa 70 % kan ersättas med elektriska energilager skulle marknaden öka 15 gånger!
Bilsalongerna 2020?
Att det är materialen inne i cellen som avgör är inget nytt, men det är intressant att artikelförfattarna (journalisterna) verkligen trycker på detta när de beskriver olika tekniker och dess för- och nackdelar.
Artiklarna i Nature Outlook är ordnade från dagens Li-jonteknik via nästa generation Li-jonbatterier till några axplock av framtida tekniker.
Utvecklingen av Li-jonbatterierna har främst varit relaterad till att man hittat nya katodmaterial (från LCO till LMO, NCA, NMC, LFP) och att nästa förbättringssteg kommer göras genom att förbättra anoden (dvs. byta ut grafit mot något annat). Två vägar framåt tas upp: kiselbaserade anoder och metalliskt litium. Tyngdpunkten i Nature Outlook är längs den senare vägen; den väg Li-jonbatterierna en gång startade på.
Enligt artiklarna skulle metalliskt Li som anod vara nyckeln till att nå det mål US Battery Consortium satt upp på cellnivå: 350 Wh/kg. För att nå dit behövs en ny fast elektrolyt t.ex. en polymer eller en keram – ’solid-state Li-batteries’. Enligt Lux Research närmar sig Li-jonbatterierna 250 Wh/kg (vilket ska jämföras med cellerna i första versionen av Nissan Leaf: 140 Wh/kg), men att ’solid-state’ behövs för att nå målet på 350 Wh/kg.
Genom att välja rätt teknik och material kan man förbättra säkerheten och samtidigt designa batteripack som är mindre och billigare genom att behovet minskar av elektronik för övervakning.
’Solid-state’-tekniken är inte ny, dock finns den inte i massproduktion än. Främsta användaren är Bolloré till de bilpooler som finns i bl.a. Paris, London och Indianapolis. Över 3000 bilar har kört över 15 miljoner km utan några säkerhetsproblem. I Paris har det brunnit några bilar, men batterierna har inte tagit det minsta skada (egen kommentar, går inte att läsa sig till i Nature Outlook).
VW, Toyota och Bosch är tre företag som satsar stort på ’solid-state’. Toyota hävdar att man kan köra 480 km på en laddning.
Men för att ha något att visa upp på bilsalongerna 2020 så bör nya tekniker redan ha lämnat forskningslabben – och det har de inte. Anderman (en ’guru’ inom området och som följt batteri- och fordonstillverkarna under lång tid, även mannen bakom konferensserien AABC – Advanced Automotive Battery Conference) har givetvis blivit intervjuad och han upprepar sitt tidigare budskap – inom de närmsta 10 åren kommer vi bara se förbättringar av Li-jontekniken.
Rabarbersaft i tanken?
Givetvis behandlades mer, ur ett fordonsperspektiv, futuristiska tekniker: Li-svavel och Li-syre/O2. Och för stationära tillämpningar flödesbatterier.
De teoretiskt höga energitätheterna för teknikerna Li-S och Li-O2 belyses och då i ljuset av att den praktiska energitätheten är betydligt lägre och att hela fordonsinstallationen måste beaktas. För att sätta teknikerna i relation till nästa generations Li-jonbatterier ger motsvarande pack av Li-S och Li-O2 1,3-1,5 gånger mer energi per viktsenhet, men betydligt sämre per volymenhet. Data finns inte i Nature Outlook, men andra har räknat på teknikerna påverkar fordonsinstallationen [2].
Flödesbatterier är till mångt och mycket likt bränsleceller – energin bestäms av storleken på externa tankar med reaktanter och effekten bestäms av elektrodytan. Vanligtvis används vattenbaserade vanadinlösningar som pumpas runt (kommentar: vanadin är inte att föredra ur ett miljöperspektiv). Man kan även göra Li-jonbatterier med flödesteknik som vi skrev om tidigare i år (länk). Att hitta bättre energibärare är vad forskarna brottas med just nu. Ett antal försök har gjorts med att hitta organiska molekyler. Ett exempel är en molekyl som kan utvinnas ur rabarber – så varför inte köra direkt på rabarbersaft? 😉
Design for recycling
En av de åtta artiklarna behandlade återvinningsproblematiken av Li-jonbatterier. Man jämförde med Pb-syrabatterier där det är över 95 % av batterierna som återvinns. Endast 5 % av de Li-jonbatterier som såldes inom EU 2010 har återvunnits.
Att man inte återvinner Li-jonbatterier har tre huvudsakliga orsaker enligt artikelförfattaren: inget ekonomiskt incitament i dagsläget, inga bra metoder finns, och att de återvunna materialen måste förädlas för att kunna användas i nya batterier. Detta jämförs med återvinningen av Pb-syrabatterier. En orsak till skillnaden diskuteras: Pb-syrabatterier innehåller material som kan tas mer eller mindre direkt från återvinningsflödet och är en mycket mer standardiserad produkt i termer av materialinnehåll och design. Ungefär 65 % av vikten är bly i ett Pb-syrabatteri, vilket ska jämföras med ett fåtal % Li i ett Li-jonbatteri. Men det är kobolt, nickel och koppar som är den ekonomiska drivkraften för återvinning av Li-jonbatterier. Även diskuteras att styra återvinningen genom strängare lagkrav.
För att underlätta för återvinning nämns i Nature Outlook att återvinningsaspekter bör beaktas redan när man designar både celler och elektroniska produkter.
Egna kommentarer
I viss mån är artiklarna skrivna på ett förenklat sätt så att det blir feltolkningar när tekniken ska beskrivas och vissa artiklar kan nog uppfattas som röriga. Men för den som vill ha en överblick av historia och framtid är det bara att börja läsa.
Alla intervjuade forskare och företagare är från USA (kanske har jag missat någon enstaka?). Spontant säger jag att inom Europa är vi väl så bra forskningsmässigt. Det vi saknar är bredden av företagare.
Om innehållet i Nature Outlook ska spegla batteriforskningen i USA saknar jag multivalenta tekniker – dvs. tekniker som involverar joner med högre laddning t.ex. Mg2+ och Ca2+ är två tekniker som studeras i USA. Om dessa tekniker fungerar fullt ut ger de dubbelt så hög kapacitet jämfört med Li-jontekniken (två elektroner per jon, jämfört med en elektron).
Mycket handlade om solid-state Li-batteries. Vi kommer skriva mer om denna teknik längre fram i höst. Jag saknade en fördjupad diskussion om kiselbaserade anoder.
Bra att återvinningsproblematiken fick stort utrymme – viktigt och mindre vanligt.
[1] Nature Outlook: Batteries. länk
[2] O. Gröger, H.A. Gasteiger, J-P. Suchsland (2015) “Review-Electromobility: Batteries or Fuel Cells?”, J. Electrochem. Soc., 162 (2015) A2605
Li-jonbatterier är den teknik som under de senaste 30 åren förändrat vår livsstil och möjliggjort den teknikutveckling vi sett, framförallt inom konsumentelektronik. Men har tekniken nått sin bortre gräns?
Nyligen belystes frågan i ett specialnummer av Nature – Nature Outlook Batteries [1]. Totalt sju artiklar författade av journalister och en inledande artikel av chefen för Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) vid Argonne National Lab i USA.
I dagens nyhetsbrev gör vi en sammanfattning av detta specialnummer.
Från atom till stora pengar
Om man läser hela Nature Outlook får man ta del av Li-jonbatteriets historia och de första utmaningarna, hur ett batteri fungerar, nya tekniker och nya utmaningar, och återvinning. En spretig Outlook som till viss mån upprepar sig i de olika artiklarna. Fokus känns som ’smart BEV’ och smart grid’; att dessa två kommer möjliggöra ytterligare tekniksteg och utveckla samhället.
De olika journalisterna har grävt i tekniken, men framförallt har de intervjuat forskare och företagare om hur dagens teknik står sig och vad som återstår att göra för att en BEV ska bli billigare och kunna köra längre.
Att ta tillvara på sol- och vindenergi är en drivkraft för USA och därigenom minska sitt beroende av omvärlden för sin energikonsumtion. Ca 2 % av USAs energi går till portabel elektronik (telefoner, datorer, osv.) och i stort sett är det uteslutande Li-jonbatterier som används – en marknad på 15-20 miljarder dollar. 70 % av energikonsumtionen går till tranporter och elanvändning (antar att de återstående 28 % är relaterade till tillverkningsindustrin). Om hälften av dessa 70 % kan ersättas med elektriska energilager skulle marknaden öka 15 gånger!
Bilsalongerna 2020?
Att det är materialen inne i cellen som avgör är inget nytt, men det är intressant att artikelförfattarna (journalisterna) verkligen trycker på detta när de beskriver olika tekniker och dess för- och nackdelar.
Artiklarna i Nature Outlook är ordnade från dagens Li-jonteknik via nästa generation Li-jonbatterier till några axplock av framtida tekniker.
Utvecklingen av Li-jonbatterierna har främst varit relaterad till att man hittat nya katodmaterial (från LCO till LMO, NCA, NMC, LFP) och att nästa förbättringssteg kommer göras genom att förbättra anoden (dvs. byta ut grafit mot något annat). Två vägar framåt tas upp: kiselbaserade anoder och metalliskt litium. Tyngdpunkten i Nature Outlook är längs den senare vägen; den väg Li-jonbatterierna en gång startade på.
Enligt artiklarna skulle metalliskt Li som anod vara nyckeln till att nå det mål US Battery Consortium satt upp på cellnivå: 350 Wh/kg. För att nå dit behövs en ny fast elektrolyt t.ex. en polymer eller en keram – ’solid-state Li-batteries’. Enligt Lux Research närmar sig Li-jonbatterierna 250 Wh/kg (vilket ska jämföras med cellerna i första versionen av Nissan Leaf: 140 Wh/kg), men att ’solid-state’ behövs för att nå målet på 350 Wh/kg.
Genom att välja rätt teknik och material kan man förbättra säkerheten och samtidigt designa batteripack som är mindre och billigare genom att behovet minskar av elektronik för övervakning.
’Solid-state’-tekniken är inte ny, dock finns den inte i massproduktion än. Främsta användaren är Bolloré till de bilpooler som finns i bl.a. Paris, London och Indianapolis. Över 3000 bilar har kört över 15 miljoner km utan några säkerhetsproblem. I Paris har det brunnit några bilar, men batterierna har inte tagit det minsta skada (egen kommentar, går inte att läsa sig till i Nature Outlook).
VW, Toyota och Bosch är tre företag som satsar stort på ’solid-state’. Toyota hävdar att man kan köra 480 km på en laddning.
Men för att ha något att visa upp på bilsalongerna 2020 så bör nya tekniker redan ha lämnat forskningslabben – och det har de inte. Anderman (en ’guru’ inom området och som följt batteri- och fordonstillverkarna under lång tid, även mannen bakom konferensserien AABC – Advanced Automotive Battery Conference) har givetvis blivit intervjuad och han upprepar sitt tidigare budskap – inom de närmsta 10 åren kommer vi bara se förbättringar av Li-jontekniken.
Rabarbersaft i tanken?
Givetvis behandlades mer, ur ett fordonsperspektiv, futuristiska tekniker: Li-svavel och Li-syre/O2. Och för stationära tillämpningar flödesbatterier.
De teoretiskt höga energitätheterna för teknikerna Li-S och Li-O2 belyses och då i ljuset av att den praktiska energitätheten är betydligt lägre och att hela fordonsinstallationen måste beaktas. För att sätta teknikerna i relation till nästa generations Li-jonbatterier ger motsvarande pack av Li-S och Li-O2 1,3-1,5 gånger mer energi per viktsenhet, men betydligt sämre per volymenhet. Data finns inte i Nature Outlook, men andra har räknat på teknikerna påverkar fordonsinstallationen [2].
Flödesbatterier är till mångt och mycket likt bränsleceller – energin bestäms av storleken på externa tankar med reaktanter och effekten bestäms av elektrodytan. Vanligtvis används vattenbaserade vanadinlösningar som pumpas runt (kommentar: vanadin är inte att föredra ur ett miljöperspektiv). Man kan även göra Li-jonbatterier med flödesteknik som vi skrev om tidigare i år (länk). Att hitta bättre energibärare är vad forskarna brottas med just nu. Ett antal försök har gjorts med att hitta organiska molekyler. Ett exempel är en molekyl som kan utvinnas ur rabarber – så varför inte köra direkt på rabarbersaft? 😉
Design for recycling
En av de åtta artiklarna behandlade återvinningsproblematiken av Li-jonbatterier. Man jämförde med Pb-syrabatterier där det är över 95 % av batterierna som återvinns. Endast 5 % av de Li-jonbatterier som såldes inom EU 2010 har återvunnits.
Att man inte återvinner Li-jonbatterier har tre huvudsakliga orsaker enligt artikelförfattaren: inget ekonomiskt incitament i dagsläget, inga bra metoder finns, och att de återvunna materialen måste förädlas för att kunna användas i nya batterier. Detta jämförs med återvinningen av Pb-syrabatterier. En orsak till skillnaden diskuteras: Pb-syrabatterier innehåller material som kan tas mer eller mindre direkt från återvinningsflödet och är en mycket mer standardiserad produkt i termer av materialinnehåll och design. Ungefär 65 % av vikten är bly i ett Pb-syrabatteri, vilket ska jämföras med ett fåtal % Li i ett Li-jonbatteri. Men det är kobolt, nickel och koppar som är den ekonomiska drivkraften för återvinning av Li-jonbatterier. Även diskuteras att styra återvinningen genom strängare lagkrav.
För att underlätta för återvinning nämns i Nature Outlook att återvinningsaspekter bör beaktas redan när man designar både celler och elektroniska produkter.
Egna kommentarer
I viss mån är artiklarna skrivna på ett förenklat sätt så att det blir feltolkningar när tekniken ska beskrivas och vissa artiklar kan nog uppfattas som röriga. Men för den som vill ha en överblick av historia och framtid är det bara att börja läsa.
Alla intervjuade forskare och företagare är från USA (kanske har jag missat någon enstaka?). Spontant säger jag att inom Europa är vi väl så bra forskningsmässigt. Det vi saknar är bredden av företagare.
Om innehållet i Nature Outlook ska spegla batteriforskningen i USA saknar jag multivalenta tekniker – dvs. tekniker som involverar joner med högre laddning t.ex. Mg2+ och Ca2+ är två tekniker som studeras i USA. Om dessa tekniker fungerar fullt ut ger de dubbelt så hög kapacitet jämfört med Li-jontekniken (två elektroner per jon, jämfört med en elektron).
Mycket handlade om solid-state Li-batteries. Vi kommer skriva mer om denna teknik längre fram i höst. Jag saknade en fördjupad diskussion om kiselbaserade anoder.
Bra att återvinningsproblematiken fick stort utrymme – viktigt och mindre vanligt.
[1] Nature Outlook: Batteries. länk
[2] O. Gröger, H.A. Gasteiger, J-P. Suchsland (2015) “Review-Electromobility: Batteries or Fuel Cells?”, J. Electrochem. Soc., 162 (2015) A2605