IBSE Del 4 – Fastfasbatterier "solid-state" samt Blue Solutions

skrivet av Johan Scheers (Volvo Cars)
Det talas mycket om ”solid-state” eller fastfasbatterier. Inte minst fordonstillverkarna verkar vänta på det stora genombrottet som skall göra energitäta, billiga och säkra batterier till vardagsmat. Alla väntar dock inte, utan blåser på när andra ser på.
Uppdatering av de blå lösningarna
Likt Picassos blå period, så är vi i fastfasbatteriets blå period. Blue Solutions blå bilar och bilpooler, blå bussar och blå tåg från Bolloré är ingen nyhet för läsaren av det här nyhetsbrevet. I april förra året gjorde vi en djupdykning i det blå [1], så låt mig här bara påminna om upplägget och leverera en uppdaterad statusrapport från IBSE 2017 innan vi ser vad som finns bortom den blå horisonten.
Blue Solutions erbjuder batterilösningar för transport och stationära tillämpningar genom en fastfascell som använder litiummetall som kombinerad negativ elektrod/strömsamlare, en polymer + salt som fast elektrolyt, och litiumjärnfosfat (LFP) som positiv elektrod på en strömsamlare av aluminium.
Tillverkningen av anod, elektrolyt och katod sker genom extrudering. Battericellen är ca 1 cm tjock, stackas i moduler om 120 celler och ca 35 kWh, kräver en inre temperatur av 60-80°C för att fungera och används i en omgivningstemperatur av -20 till 60°C. Nominell spänning för beskrivet pack är 410 V och max effektuttag 45 kW.
Det är tacksamt att heta Didier Marginedes och som Senior Vice President stå på podiet vid IBSE och prata om ”Blue Solutions, a Major Development Driver for the Bolloré Group” när man har bilpooler i 100 städer, omfattande 4000 EV och 6200 laddningsstationer. Det är lite större än ett demoprojekt…
Utvecklingen av Blue Solutions bilpoolskoncept dec 2011 –> feb 2017:
#Städer/orter 45 –> 100
#EV 250 –> 4000
#Laddplatser 1300 –> 6200
#Prenumeranter 5650 –> 326000 (totalt)
#Uthyrningar 4600 –> 19.3 miljoner
#Kilometer 41900 –> 175.7 miljoner
Bilpoolskonceptet utvecklas och nichas till den specifika staden, lösningarna är genomarbetade/välövervakade och påstått användarvänliga med envägsresor, gratis parkering, dygnet-runt-assistans via telefon (eller knapp i bilen) och komplett app-lösning.
Via app skall man kunna boka bilar med en framförhållning om 30 minuter och reservera en tänkt parkeringsplats minst 90 minuter senare. Verksamheten integreras med kollektivtrafiken och cykelpooler, som man som bilprenumerant får utnyttja till reducerat pris (eller möjligen ”gratis”?) och 1 bil sägs själv ersätta 9 bilar på Paris gator.
Didier visar med ett leende en annons från BMW som säger att deras i3 är kompatibel med företagets laddstationer och säger att det gäller även övriga elfordon på marknaden.
Nya etableringar på gång under 2017 är i Los Angeles (BlueLA) och i Singapore (BlueSG), där över 1000 bilar planeras enbart i BlueSG (guldstjärna till Helena som förutspådde detta [1]). Man skall även ha världspremiär i Champ-Élysées för det tåg, BlueTram, som demonstrerades redan under klimatmötet COP21 och kan transportera 22 passagerare upp till 2 km med hjälp av superkondensatorer (laddas 20 sek vid ändstationerna). Tåget kommer även att dyka upp i ytterligare en ännu oannonserad stad.
Mer info om energilagret i BlueTram, om batterierna i de två busslösningarna (BlueBus 6 resp. 12 m) och i bilarna (Bluecar/Renault, BlueSummer/PSA) hittar du i tidigare nyhetsbrev [1].
Utöver transportsatsningarna så har Blue Solutions även satsningar på stationära energilager, i första hand med BlueZones i afrika, där solceller + batterier bl.a. skapar energiförutsättningar att rena vatten. Stationära projekt finns nu i 50 städer, t.ex. i Guinea och Burkina Faso.
På en fråga från konferenspubliken om kostnad/litiumtillgänglighet svarar Didier att Bolloré har utvecklat en process för att återvinna/återanvända litium. Något som underlättas av att man till skillnad från Li-jonceller här använder en 30 mikrometer tjock anod av metalliskt litium.
Avslutningsvis, på säkerhetsfronten, så har volontärer, främst från den lite mer lynniga delen av den franska befolkningen, assisterat Bolloré genom åren med sina tjänster och nu hunnit säkerhetstesta bilarna/batterierna genom fler än 60 stycken bilbål av blåbil.
Testerna har uteslutande resulterat i intakta batterier (om än inte användbara) vilandes i högar med aska och metallskrot. Så hur svårt svårt kan det vara?
Andra”solid-state” lösningar – hur svårt kan det vara?
Ja hur svårt kan det vara? Uppenbarligen kan man, med rätt resurser och rätt inblandade, introducera ett fastfasbatteri på marknaden. Se gärna analogin med ett visst företag som bygger elfordon med batterier som utnyttjar många sammankopplade små cylindriska datorbatterier… Lösningar som för all del kanske inte är optimala, men som fungerar.
Vill man däremot ha en fastfascell som går att använda vid rumstemperatur (och som inte är ett tunnfilmsbatteri), ja då blir det desto svårare. Organiska polymer har blötts, stötts, nanostrukturerats, dekorerats med andra polymerer, dopats med oorganiska partiklar och mer därtill för att nå polymerelektrolyter med tillräckligt hög jonledningsförmåga vid rumstemperatur, men det är svårt.
Vid IBSE erbjuder man en solid-state tutorial på två timmar som inleds av Jeff Sakamoto som (något elakt) tycks ha fastnat vid mantrat ”det går inte”, ”det går inte”, ”det går inte”. Samma mantra upprepades förra året av en viss Stanley Whittingham om Li-luftbatterier vid den här (och många andra) konferenser. Äldre herrar som har varit med och gäckats på lösningar under lång tid och nu generaliserat sina erfarenheter som vägledande för all framtid.
Lite ironiskt just i år är att man på ett stort plakat utanför konferenslokalen kan läsa en variant av Nelson Mandelas citat ”it always impossible until it´s done” och det är väl antagligen så det kommer att kännas. Poff, från omöjligt till möjligt, över en natt.
I rättvisans namn hoppade jag över Jeff Sakamotos presentation i år (lyssnade förra året) och gick istället direkt på nästa talare Josh Buettner-Garrett, CTO för SolidPower. Företaget utvecklar en fastfascell med ytbehandlad NMC (622) som positiv elektrod, en sulfidbaserad fast elektrolyt och metallisk litium som negativ elektrod.
Märk här att en fastfascell kan ha antingen en organisk (kolvätebaserad) polymerelektrolyt eller en oorganisk elektrolyt (ofta baserad på svavel eller syreföreningar). I den här tutorialen behandlas uteslutande det senare konceptet.
Josh diskuterade mognadsgraden för olika fastfaselektrolyter, jämförde glaser (amorfa) och kristallina material, påtalade vikten av rätt struktur för rätt egenskaper och sammanfattade nyckelutmaningarna med fastfaselektrolyter.
Det finns fastfaselektrolyter med exceptionell jonledningsförmåga av litiumjoner, LiSiPSCl (9.54:1.74:1.44:11.7:0.3) med 25 mS/cm vid rumstemperatur är förmodligen rekordhållare [2], men det är ofta stabiliteten och vidhäftigheten till elektroderna som begränsar elektrolyternas användning i fastfasceller.
Det är inte heller självklart att motståndet i elektrolyten, trots ett fast material, är tillräckligt för att hindra genomväxt av litiumdendriter. Sprickbildning kan skapa vägar för dendriter att ta sig genom en fast elektrolyt [3].
En ofta hänvisad tumregel är att elasticitetsmodulen för elektrolyten skall vara dubbelt så stor som den för litium (4.2 GPa) baserat på en modell för polymerelektrolyter av Monroe och Newman [4].
Det är ett villkor uppfyllt för många oxider som LLZO (LiLaZrO 7:3:2:12) [5], men svårare för svavelbaserade fastfaselektrolyter. En potentiell lösning är att belägga de senare med tunna oxidfilmer, en lösning som Toyota sägs ha anammat.
Den sista föredragshållaren, Yifei Mo, University of Maryland, talade om vikten av modellering för att förutsäga egenskaper hos fastfaselektrolyter. Hans budskap var att termodynamik kan ge mycket värdefull information och ger möjlighet att ranka fasfaselektrolyter utifrån egenskaper som mekanisk och elektrokemisk stabilitet, jonledningsförmåga, m.m.
Det är helt klart mycket aktiviteter på gång inom området fastfaselektrolyter och fastfasceller, både akademisk forskning och i form av företagssatsningar. Ett tidigare nyhetsbrev har nämnt en del av de senare satsningarna och kommersialiseringsmål som inte ligger så långt bort i tid [6].
För den som är intresserad av en mer detaljerad genomgång av materialen för fastfasceller (och har tillgång till vetenskapliga tidskrifter) så finns en färsk sammanfattning i Nature Reviews Materials från The University of Texas [7].
Avslutningsvis så lever i högsta grad även forskningen på polymerelektrolyter. Ett exempel från IBSE kom från Yi Cui vid Stanford, vars grupp introducerar parallella strängar eller nanotrådar av oorganiska partiklar (LLTO) i polymerer för att höja jonledningsförmågan [8]. Man når i labb 0.5 mS/cm och som Cui säger – ”we only need to double, we will get there!”
Det finns mycket mer att saga om fastfasceller, men tyvärr är utrymmet slut. Nyhetsbrevet kommer dock med all sannolikhet att återkomma till ämnet. Avslutningsvis så lämnar jag en visuell referens som visar fördelarna med fastfasceller på systemnivå jämfört med Li-jonceller – så kallad bipolär stacking [9].
Referenser
[1] OMEV Blue Solutions
[2] High-power all-solid-state batteries using sulfide superionic conductors (sub.)
[3] Investigating the Dendritic Growth during Full Cell Cycling of Garnet Electrolyte in Direct Contact with Li Metal länk (sub.)
[4] The Impact of Elastic Deformation on Deposition Kinetics at Lithium/Polymer Interfaces länk (sub.)
[5] Elastic Properties of the Solid Electrolyte Li7La3Zr2O12 (LLZO) länk (sub.)
[6] OMEV Cells made in Germany? länk
[7] Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolyte länk (sub.)
[8] Ionic Conductivity Enhancement of Polymer Electrolytes with Ceramic Nanowire Fillers länk (sub.)
[9] Supplementary Video 1 länk (sub.)