Del 2 Batterikonferens ISBE – batterimarknaden, Si-anoder och Christina Lampe-Önnerud

skrivet av Johan Scheers
Rapport 2(2): Lite mer om batterimarknaden, Si-anoder på frammarsch och Christina Lampe-Önneruds senaste batteriprojekt
I förra nyhetsbrevet sammanfattade jag en prognos från Avicenne energy för antalet elfordonfordon till 2025 och prisutvecklingen för EV-batteripack under samma period.
Det här nyhetsbrevet innehåller några ytterligare uppskattningar från Avicenne, den här gången för Li-jonbatterimarknaden och marknaden för uppladdningsbara batterier generellt.
Jag har också sammanfattat några konferenspresentationer om användningen av kisel, både som additiv till grafitanoder och som huvudkomponent i Si-anoder.
Mot slutet av nyhetsbrevet ges lite övrig information i kortformat.
Tillväxtprognos Li-jonbatterimarknaden
Den globala försäljningen av Li-jonbatterier 2015 motsvarade ca 60 GWh enligt fördelningen:
bärbar elektronik (50%),
elfordon Kina (16%),
elfordon övriga världen (15%),
stationära energilager (8%) och övrigt (11%).
År 2025 bedömer Avicenne att marknaden når 216 GWh fördelat på:
elfordon Kina (37%),
bärbar elektronik (26%),
elfordon övriga världen (19%),
stationära energilager (9%)
och övrigt (9%). Bland övriga marknader räknas medicinska tillämpningar, elverktyg, trädgårdsprodukter, e-cyklar m.fl.
Baserat på scenariot ovan väntas samtliga marknader öka i absoluta tal med följande siffror per år: elfordon Kina (+24%), elfordon övriga världen (+16%), stationära energilager (+16%), övrigt (+11%), samt bärbar elektronik (+6%).
Med den föreslagna årliga ökningstakten ser marknadsfördelningen halvvägs (till 2020) väldigt lik ut den som prognoseras till 2025, d.v.s. elfordon Kina har redan 2020 gått om bärbar elektronik som den största marknaden för Li-jonbatterier.
I pengar förväntas den globala Li-jonbatterimarknaden gå från 16.7 miljarder USD (cellnivå 2015) eller 22 miljarder USD (packnivå 2015) till 35 miljarder USD (cell 2025) eller 46 miljarder USD (pack 2025). För celler anges en årlig ökningstakt på 9% från 2005 och motsvarande siffra för pack är 8%.
För att sätta Li-jonbatterimarknaden i perspektiv så var den totala marknaden för uppladdningsbara batterier värd 65 miljarder USD (pack) år 2015 och utgjorde ca 430 GWh.
Den otvivelaktigt största marknaden är blybatterier (360 GWh, 37 miljarder USD 2015) varav 60% avser batterier för start/stopp (SLI) och 35% diverse industritillämpningar (av dessa är 40% för truckar). Framtidsscenariot för blybatterier är att de kommer att dominera marknaden för uppladdningsbara batterier även 2025 med 600 GWh (av totalt 775 GWh). Li-jonbatterier (216 GWh) förväntas vid det laget alltså utgöra > 25% av den totala marknaden. Blybatterier kommer även dominera i pengar (52 miljarder USD, pack) med ca50% av den totala marknaden, som väntas ha vuxit till strax över 100 miljarder USD år 2025.
Även om Li-jonbatterier äter marknadsandelar kan det noteras att det finns tillämpningar (truckbatterier) som gynnas av tunga batterier (för motvikten).
Cellfördelning på företag, format och material
2015 tillverkades totalt 5.6 miljarder Li-jonceller; 25% tillverkades av Samsung, 18% av LG. I pengar var motsvarande marknadsandelar 22% respektive 18%. Utöver de två koreanska jättarna finns det ett antal bolag med 5-9% marknadsandelar (Panasonic/Sanyo, Panasonic/Tesla, Sony, ATL (=>Apple) och Lishen). Det är överlag en oerhört tuff konkurrenssituation där det gäller att ha en tydlig strategi.
Enligt Pillot har LG fram tills nu riktat in sig på att köpa marknadsandelar genom låga priser, på bekostnad av att inte tjäna några pengar.
Av det totala antalet Li-jonceller som såldes 2015 var 2.1 miljarder cylindriska celler (33% Samsung, 20% Panasonic/Tesla, 21% LG, 13% Panasonic/Sanyo), vilket var en ökning med 8% jämfört med 2014. Antalet sålda prismatiska celler var ca 1.1 miljarder (26% Samsung, 20% LG, 14% BYD, 10% Panasonic), vilket är en minskning med 7% från 2014 och fortsättning på en nedåtgående trend sedan 2011 orsakad av att pouchceller ersätter prismatiska celler i flera tillämpningar. Antalet sålda pouch/laminerade celler var 2.2 miljarder 2015 (21% ATL(=>Apple), 17% Samsung, 15% LG, 15% Sony, 8% Coslight, 7% Lishen) – en ökning med 5% från 2014.
Materialåtgången för cellproduktionen 2015 var i kiloton (kt):
Katod > 134 kt (45 kt LCO, 32 kt LFP, 30 kt NMC, 20 kt LMO och 12 kt NCA).
Anod > 75 kt (69% naturlig grafit, 22% syntetisk grafit)
Elektrolyt > 60 kt (15% GTHR, 14% Capchem, 12% Mitsubishi)
Separatorer ca 1,1 miljarder m2 (baserat på ett marknadsvärde om 1.1 miljarder USD och en kostnad på ca 1 USD/m2)
(24% Asahi, 21% Toray, 11% Celgard, 11% SK)
Kisel som additiv i nya 18650-celler
Det talas mycket om kisel (Si) som anodmaterial och presentationerna vid IBSE speglar utvecklingen på olika nivåer; från användning av Si som additiv i mindre mängder i den senaste generationens kommersiella 18650-celler till fundamentala studier om hur man kan kontrollera den kraftiga volymexpansionen i anoder där Si är huvudkomponent.
18650-celler fortsätter att utvecklas och kommer allt närmare 4Ah. Den ökade kapaciteten kommer från Si som adderas till grafitanoden och mer specifikt genom att Si lagrar ca 10x mer energi än grafit (Si <–> Li4.4Si ; 4200 mAh/g ; ca 2000 mAh/cm3 jämfört med C6 <–> LiC6 ; 370 mAh/g ; ca 700 mAh/cm3). De 18650-celler på marknaden med högst energidensitet just nu innehåller C/Si-anoder och NCA-katoder och är enligt ett föredrag av Shmuel De-Leon:
LG INR18650MJI ;  3.5Ah ; 736 Wh/l [1]
SONY US186500VC7 ;  3.5Ah ; 264 Wh/kg [2]
SONY-cellen sticker också ut från konkurrenterna genom att vara den enda ”high-power” cellen. Förutom Si-innehållet kan man framöver vänta ytterligare ökningar i energidensitet när formfaktorn blir större och därmed ökar kvoten aktivt/inaktivt material. Trenden för nya och framtida celler är en diameter på 20-21 mm (istället för 18 mm). Samsung har t.ex. lanserat ett batteripack för e-cyklar med ”21700”-celler. Packet sägs ha 35% högre energidensitet jämfört med motsvarande pack med 18650-celler [3].
Samsung, LG och Panasonic säljer alla redan celler med större formfaktorer (21700, 20700, 20650) – vilka kommer att massproduceras från mitten av 2016. Kurt Kelty som leder batteristrategin vid Tesla avslöjar att också gigafabrikens celler kommer att vara större än 18650-formatet. Den exakta storleken är fortfarande hemlig. De kinesiska tillverkarna (ATL, Coslight, Sinopoly, Lishen, BYD) beräknas följa efter när de nya storlekarna är etablerade.
Det dubbla budskapet här är alltså att Si som additiv (< 10%) redan har ökat energidensiteten i celler på marknaden och att de nya större formfaktorerna kommer att leda till ytterligare ökningar i energidensitet. Generellt är energidensiteten för de större cellerna ännu inte bättre än för 18650-celler, men kommer att bli det allteftersom de blir mer optimerade.
Anoder med kisel som dominerande komponent
I andra änden av spektrumet, med Si som dominerande material i anoden, är utmaningen att hantera den kraftiga volymexpansionen av Si vid litiering (ca 100%) jämfört med grafit (ca10%). Expansionen skapar utmaningar på alla längdskalor: 1) atomnivå (reversibel bindning mellan atomer), 2) partikelnivå (sprickor och förstörd ”solid-electrolyte-interphase” (SEI)) och 3) på elektrod/cellnivå (svällning av celler, sprickor).
Yi Cui, vid Stanford [4], attackerar problemet genom kontrollerad design av nanostrukturer. Två frågor han försöker hitta svar på är 1) hur undviker man att partiklar går sönder? 2) hur skapar man ett stabilt SEI?  Hans grupp har arbetat väldigt systematiskt med att utveckla nanostrukturer som adresserar frågorna ovan. Från den ursprungliga ansatsen med nanotrådar som är fixerade med ena änden vid strömsamlaren har man nyligen publicerat ”generation 11”; mikrometerstora partiklar i en stark, flexibel bur av grafen. För den som är intresserad av detaljer kring varje generation finns en lista lite längre ner med länkade nyckelartiklar för alla generationer man definierarat. Materialet kommer från Cui själv som höll en tutorial med titeln ”Materials selection and design for batteries with high energy density, ultra-long cycle life and excellent safety”.
Kort sammanfattat har man från nanotrådarna lärt sig i vilka kristallriktningar expansionen sker (den sker anisotropt) och man har hittat kritiska diametrar över vilka trådar (ca 300 nm) och nanopartiklar (ca 150 nm) förstörs och lärt sig att brotten accelereras vid snabbare litiering. Man har demonstrerat att expansionen kan styras inåt i ihåliga strukturer med rigida yttre gränser och att man når hög volumetrisk kapacitet och materialladdning per ytarea. Man har också demonstrerat ett nytt självhelande batterikoncept med hjälp av polymerer. Man visualiserar genomgående sina resultat med mikroskopi (SEM/TEM; stillbilder och video), genom eleganta schematiska bilder och fyndiga demonstrationer, vilket gör resultaten lättilllgängliga. Utan möjlighet att inkludera figurer här, rekommenderas en titt i några av de refererade artiklarna.
Forskningsresultaten har också lett till kommersiella batterier med Si-anoder. Bolaget Amprius grundades av Cui 2008 och i bolagets styrelse finns bland annat nobelpristadagen och tidigare ”Secretary of Energy” Steven Chu.  Amprius lanserade sina första laminerade celler på marknaden 2014. Specifikationerna för de kommersiella cellerna är 280 Wh/kg och 700 Wh/l. I labbet är man för nästa produkt uppe i 360 Wh/kg och 900 Wh/l.
Som kuriosa kan nämnas att Thomson-Reuters tidigare i år rankade de 19 hetaste forskarna under 2015 – alla kategorier – baserat på superciterade publikationer mellan 2012 och 2014 [5]. Yi Cui är med på den listan med 15 st superciterade artiklar, vilket säger en del om inflytandet hans forskning har.
Gen 1: Nanowire
Gen 2: Core-Shell Nanowire
Gen 3: Hollow
Gen 4: Double-Walled Hollow
Gen 5: Yolk-Shell
Gen 6: Si-Hydrogel
Gen 7: Self-Healing
Gen 8: Pomegranate-Like
Gen 9: Non-Filling carbon coating or porous Si
Gen 10: Prelithiation of Si anodes
Gen 11: Micro-Si graphene cage
Enevate är ett annat spännande bolag som tillverkar snabbladdande batterier med Si-anoder. Bolaget bildades för 10 år sedan och är baserat i Kalifornien. I bolagets styrelse finns bland annat den legendariske batteriprofessorn John Goodenough. Första produkten beräknas lanseras under andra kvartalet 2016.
Enevate hade under konferensen sin första tekniska presentation av sina laminerade celler och visade spännande resultat för tillämpningar i smartphones. Cellerna har en energidensitet på ca 300 Wh/kg och 750 Wh/l och kan laddas till 90% under 15 minuter (4C) utan att påverka livslängden nämnvärt (> 500 cykler) – det är upp till 8x snabbare än konventionella Li-jonbatterier. Snabbladdningen av cellerna sägs tolereras p.g.a. överkapacitet på anodsidan och att den fulladdade cellen har en större marginal mot 0V Li+/Li. Cellerna skall också ha utmärkta egenskaper vid låga temperaturer.
Anoderna man utvecklat består av en tunn kompositfilm som innehåller > 70% Si i en kolmatris. Anoderna tillverkas i Kalifornien (kapacitet 24 miljoner anoder/år), men celler och pack sätts ihop i Asien. Med en cell om 4600 mAh i en Androidtelefon visar man 30-50% ökad  användningstid (för strömmade videor, samtal, m.m.). Med den korta laddningstiden hoppas man revolutionera telefonmarknaden.
Övrigt
Reglerna för transport av Li-jonbatterier med flyg skärps från 1 april i år; SOC för Li-jonceller/batterier får inte överstiga 30%, vilket klassas som en gyllene medelväg mellan att tillåta transport av fulladdade (farliga) och oladdade (ofarliga, men snabbt degraderande) batterier. Skärpningen är ett resultat av en ökad frekvens av incidenter de senaste åren på grund av fler Li-jonbatterier.  Mellan 20 mars 1991 och 15 januari 2016 har totalt 171 flyg- eller flygplatsincidenter orsakade av batterier (som last eller passagerarbagage) registrerats av Federal Aviation Administration (FAA).
Skärpningen av transportregler beräknas ha en stor påverkan på industrin – under 2015 transporterades 30% av alla Li-jonceller (5.6 miljarder) med flyg. Allt enligt Richard Clark vid Morgan Advanced Materials (MAM) som utvecklar termiska säkerhetslösningar för flyg/batterier. Flyger man med Lufthansa och har oturen att se sin egen eller grannens  laptop börja brinna kan man få chansen att se flygvärdinnan stoppa ner datorn i en FireMaster Battery Bag från MAM som består av ett tunt, högtemperaturbeständigt ”keramiskt tyg”.
Samme Richard Clark är också en av två talare som nämner Christina Lampe-Önneruds senaste batteriprojekt: Cadenza Innovation. Den andre talaren är Ahmad Pesaran vid National Renewable Energy Laboratory (NREL). Både MAM och NREL har varit involverade med säkerhetslösningar/säkerhetstester i det ARPA-E projekt ”Cadenza Novel, Low-Cost, and Safe Electric Vehicle Battery” inom vilket Cadenza har utvecklats [6]. Enligt Pesaran består Cadenzabatteriet (30-200 Ah) av 26 mm jellyrolls i en unik modulkonfiguration och båda talare nämner ett batteripris på 125 USD/kWh. Exakt vad denna siffra inkluderar är oklart. Inom projektet skall Cadenzabatteriet också ha testats i en Fiat 500e istället för originalbatteriet.
Under kaffepauserna tisslas och tasslas det bl.a. om Kaliforniabaserade EV-företaget ”Faraday future” [7] som handplockat ett stort antal medarbetare från Tesla och A123 (B456) och om vad Apple har i kikaren – är det en Applebil på gång?
Egna kommentarer
Det blev mycket siffror och detaljer om batterimarknaden – siffror vi förhoppningsvis får chans att återkomma till och kommentera i framtida nyhetsbrev. Inte minst materialutveckling och fördelning av marknadsandelar lär fluktuera, t.ex. till följd av Kinas förändrade subventioner utifrån val av katodmaterial [8].
Den långsamma utvecklingen av batterier och energidensitet sätts ofta lite orättvist i kontrast till datorindustrins snabba utveckling och Moore’s lag, men det händer grejer också på batterifronten. 18650-cellernas energidensitet förbättras kontinuerligt och med nya formfaktorer och batterikemier pekar det fortsatt framåt.
Det verkar bubbla lite under ytan med nya batteriföretag som vill vara med och konkurrera om marknadsandelar. Att komma ihåg är dock att alla nya batteriföretag inte riktar in sig på EV-marknaden.  Ett företag som trots allt verkar göra det är Cadenza Innovaton. Vad jag vet så har företaget inte diskuterats i tidigare nyhetsbrev och vi får nog skäl att återkomma också till Cadenza när det finns mer information om deras batterier.
Yi Cui forskar inte bara om Si-anoder, hans grupp har också spännande resultat för svavel- och Li2S-katoder, innovativa lösningar för att utveckla litiummetallanoder som inte växer dendriter, membranlösa semi-flytande batterier med litiummetall, smarta reversibla termiska säkringar och mycket, mycket mer. Ihåliga kolnanokapslar med guldfrön som innesluter litiummetall är ett exempel på en pinfärsk strategi för dendritfria batterier som det går att läsa om i månadens Nature Energy [9]. Det enda riktigt negativa jag har att säga om Yi Cui är att man själv, i jämförelse och som forskare i branschen, känner sig som ett dagisbarn i sandlådan 😉
Over and out from Fort Lauderdale.
Referenser
[1] Specifikationer LG 18650 cell. länk
[2] Nya 18650-celler. länk
[3] Samsung e-cykel batteripack med 21700-celler. länk
[4] Yi Cui forskningsgrupp. länk
[5] Thomson-Reuter: de inflytesrikaste forskarna 2015. länk
[6] Cadenza Innovation och ARPA-E. länk
[7] Faraday future. länk
[8] OMEV: Kinas val av batterikemi – ett hinder för billigare batterier? länk
[9] Selective deposition and stable encapsulation of lithium through heterogeneous seeded growth. länk