Sammanfattning Workshop Nästa Generations batterier samt lån till svensk batteriproduktion

Förra veckan var en workshop om nästa generations batterier. Jag har försökt göra en sammanfattning.
En annan batterinyhet är att Energimyndigheten stöttar satsning på ny svensk batterifabrik [1]. Det beviljade startstödet på 19 miljoner kronor är i form av ett lån som ska ”delfinansiera det första steget i en satsning som kan leda till att Sverige försörjer Europas bil- och elindustri med högkvalitativa litiumjonbatterier”.
Ny Teknik har skivit en artikel om lånet [2] samt de har även innan skrivit en artikel om historiska satsningar på batteriproduktion i Sverige [3].
[1] Energimyndigheten stöttar satsning på ny svensk batterifabrik. 18 nov. länk
[2] Svenska batterifabriken beviljas lån. Ny Teknik. 18 nov. länk
[3] Tuff utmaning bygga en svensk batterifabrik. 10 okt 2016. Ny Teknik. länk

Workshop outlining the prospects for Next Generation Batteries – especially with respect to vehicle electrification

skrivet av Magnus Karlström
Litiumjonbatterier är det helt dominerande batterivalet för befintliga laddbara fordon.
Det finns alternativa batterikemier på sikt, som ofta går under samlingsnamnet post-litium eller Nästa Generation Batterier (NGB).
Hur kunskapsläget är och den troliga utvecklingen är för NGB diskuterades nyligen under en workshop, som Chalmers och Svenskt El- och hybridfordonscentrum (SHC) anordnade. Värdar var Patrik Johansson och Elna Holmberg.
Under workshopen framförde flera av deltagarna att ett huvudargument för att utveckla NGB är bättre tillgång på resurser för NGB:s huvudkomponenter än för litium-jon. Andra argument för NGB är att de kan ha högre energidensitet, vara billigare eller enklare att återvinna.
Litium har nyligen ökat i pris, som antagligen beror på ökningen på efterfrågan av material till fordonsbatterier. Priset är för litium är dock svårt att veta exakt eftersom handeln huvudsakligen inte sker på någon handelsbörs utan endast finns i hemliga avtal mellan producent och tillverkare [1]. Det går också diskutera hur mycket en ökning av priset för litium påverkar batteripriset. Litium är ca 1-2 % av vikten av ett batteripack enligt uppgift på workshopen.
Tillverkningen av litiumjonbatterier kommer fortsätta öka och därmed kunna påverka priset ännu mer. Anna Teyssot från Renault presenterade under workshopen en prognos att 2015 tillverkades ca 60 GWh och 2020 kommer ca 180 GWh att tillverkas, varav ca 135 till fordonsindustrin. En överslagsberäkning är att 135 GWh räcker till ca 3,3 miljoner BEV om medelstorleken på batterier är 40 kWh.
Litiumjonbatterier är inte en färdig teknologi utan även den fortsätter att att utvecklas parallellt. Anna Teyssot presenterade vidare Renaults roadmap för litiumjonbatterier. De kan se en möjlig utveckling där litiumjonbattericeller kan ha en energidensitet på 350 Wh/kg och 800 Wh/l 2025. Det kan jämföras med nuläget på ca 240 Wh/g samt 500 Wh/l.
Utvecklingen av Li-jonbatterier har t ex gjort att Teslas CTO JB Straubel nyligen sa att han anser att batterigenombrott inte är nödvändiga utan att de kontinuerliga förbättringarna redan gör tillräcklig skillnad [2].
När NGB ska jämföras med litiumjonbatterier blir de ofta jämförde enbart med avseende på energidensitet räknat i kWh/g samt kostnad, men det är en lång lista på krav som en ny batterikemi ska klara av. Den ska klara livslängd med avseende på vilken fordonstillämpning det är, som ofta har med antal cykler att göra samt hur snabbt upp- och urladdning ska ske. Batterierna ska också vara säkra, klara ett brett temperaturintervall, möjliga att återvinna samt inte kräva för krånglig kringsystem. Det är också viktigt att inte volymen blir för stor för ett helt batterisystem.
Anna Teyssot från Renault nämnde något intressant om utvecklingen av kravspecifikationer. Renault tror att batterielbilar kommer utvecklas mot ha en elräckvidd på 600 km. Det kommer påverka hur kravspecfikationen utformas för vilken urladdning ett batteri mest behöver klara av för ett givet fordon. Under perioden 2020-2025 behöver en battericell klara 2-3 C (C avser laddhastighet), men omkring 2030 kommer ett batteri max behöva klara 1C för urladdning eftersom batterierna är så stora.
Workshopen handlade huvudsakligen om forskning på cellnivå, men Anna Teyssot påminde om att mycket kan göras på ingenjörsnivå också. Den nya generation ZOE har ungefär dubbelt så lång elräckvidd i jämförelse med den äldre varianten. Enligt Anna så beror ungefär 20% av förbättring på att de bytt cellkemi, men ungefär 80% av förbättring beror på bättre cellingenjörskonst.
Anna Teyssot presenterade vilka nackdelar och fördelar olika NGB har i en tabell. Tabellen finns här.
Huvuddelen av workshopen var att inbjudna forskare berättade om en NGB samt berättade om vilken forskning de gör för att förbättra sin NGB.
Rosa Palacín, ICMAB-CSIC, berättade om natrium-jonbatterier. Natrium är mycket vanligare än litium och betydligt billigare. Även om natrium liknar litium mycket, så finns det skillnader. En är att det är svårt att använda grafit som anodmaterial, så mycket av forskningen handlar om att ta fram bra elektroder, men det krävs även bra elektrolyter. Det finns åtminstone ett företag som säljer natriumjonbatterier idag. Det är Faradion. Om ni vill veta mer är det en internationell konferens om natriumbatterier den 7-9 december i Australien.
Daniel Brandell, Uppsala Universitet, gav en presentation om organiska batterier, som ofta handlar om att göra elektroderna av skräddarsydda organiska material. En fördel som Daniel lyfte fram var att att det skulle kunna bli enklare att återvinna litium från organiska batterier. Det finns ett antal olika familjer av organiska batterier med olika egenskaper. Ni som vill veta mer kan åka på en konferens om organiska batterier som är i Uppsala nästa sommar.
Robert Dominko, NIC, Ljubljana, gav sin syn på magnesiumbatterier. Magnesium är billigare och vanligare än litium. Magnesiumbatterier kan också ha stor energidensitet, men det verkar som teknologin inte kommit långt till produkter som t ex natriumbatterier. En attraktiv fördel med magnesiumbatterier är att de möjliggör två-elektronöverföring och på så sätt kan kapaciteten dubbleras gent emot Li-jonbatterier (där bara en elektron överförs).
Aleksandar Matic, Chalmers, berättade om litium-svavelbatterier, som kan ha stor mängd energi per viktsenhet, men har problem med att de kan inte laddas ut snabbt. Aleksandar berättade att nästa steg för deras litium-svavelsforskning är att försöka förbättra laddningsegenskaper, göra större celler, förbättra produktionsmetoderna samt testa nya anoder. Kostnadsbilden för litium-svavelbatterier, tillsammans med hög teoretisk energitäthet, gör tekniken attraktiv.
Reza Younesi, Uppsala Universitet, berättade om forskning att använda metallisk litium som anodmaterial. Ofta har batterier med metalliskt litium haft problem med dendritbildning samt att elektrolyten bryts ner för fort. Reza var skeptisk till det kommer vara möjligt att nå lång livslängd med en flytande elektrolyt när litiummetall används. Han slutade med att fråga om det kan vara acceptabelt med kortare livslängd på ett batteri om energidensitet ökar.
Egen kommentar
Sammanfattning i detta nyhetsbrev är kort jämfört med allt som sades under dagen. Det finns mycket mer att skriva, men jag rekommenderar att ni pratar med forskarna om ni har frågor.
Angående om NGB behövs. Det kommer bli mycket batterier och det finns mycket tillämpningar, samt brytning av litium måste öka relativt snabbt. Det känns vettigt att ha alternativ.
Är fortfarande lika sugen på att ta en Masters i material/elektrokemi när jag varit på en workshop som denna.
Referenser
[1] What Price Lithium, the Metal of the Future? Reuters. 6 juni 2016. länk
[2] Tesla Model 3’s battery will be 30% more energy dense than the Model S’ original pack. 14 nov 2016. Electrek. länk
[3] These next-generation batteries could end energy poverty. WEF. 2016. länk
[4] Quest for Nonaqueous Multivalent Secondary Batteries: Magnesium and Beyond.  John Muldoon*†, Claudiu B. Bucur†, and Thomas Gregory‡
Chem. Rev., 2014, 114 (23), pp 11683–11720
DOI: 10.1021/cr500049y
[5] The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective. John B. Goodenough* and Kyu-Sung Park, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (4), pp 1167–1176 DOI: 10.1021/ja3091438
[6]  Organic Electrodes: Organic Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries (Adv. Energy Mater. 7/2012) (page 702)
Yanliang Liang, Zhanliang Tao and Jun Chen. länk
[7] Wall Street Daily. 22 juli 2016. How to Play Small Caps and the Lithium Boom. länk
[8]  Tesla, Apple And Uber Push Lithium Prices Even Higher – Analysis. 19 oct 2016. Eurasia Review. länk
[9] An increasingly precious metal. Economist. 16 jan 2016. länk
[10] Lithium. SGS. 2016. länk
[11] BatPaC: A Lithium-Ion Battery Performance and Cost Model for Electric-Drive Vehicles. Argonne.
[12] Sodium, Radiochemistry Society. länk. (accessed: 2015-05-20) NA pris är ca 400 USD/kg
[13] Quantifying the promise of ’beyond’ Li–ion batteries Oleg Sapunkov, Vikram Pande, Abhishek Khetan, Chayanit Choomwattana and Venkatasubramanian Viswanathan Published 16 November 2015. Translational Materials Research, Volume 2, Number 4
[14] Doubling battery power of consumer electronics. 16 aug 2016. MIT News. länk