Utmaningar för batteriutveckling och forskning

skrivet av Magnus Karlström
Energimyndigheten bjöd in till presentationer och samtal om ” Challenge driven battery research for cost and resource efficiency” den 22 maj.
Inbjudna talare sammanfattade status och önskemål för utvecklingen av batterier.
Hans-Eric Melin: Jo, litiumjonbatterier återvinns redan idag, men i Kina
Li-jon batterier är redan del av ett cirkulärt flöde enligt Hans-Eric Melin. Många tror att det inte finns någon återvinning/återanvändning eftersom så lite återvinns i Europa. De flesta batterier hamnar dock i Kina där de återvinns. De återvinns där eftersom det finns en efterfrågan på material och komponenter.
Hans-Eric och hans kollegor har gjort en kartläggning av flöden och vilka aktörer som finns.
I dagsläget är flödet huvudsakligen batterier från elektronik. Det kommer dock bli mer från fordon på sikt [3-6].
Second-life tillämpningar av fordonsbatterier kommer försena innan material från uttjänta batterier kan bli använda igen. Hans-Erics bedömning är att Nissan leder utvecklingen av nya second-Life applikationer.
Helena Berg: Ta hänsyn till utvecklingstiden om vi vill ha nya cellkemier i färdiga applikationer till 2030
Helena Berg talade om vad bör vi fokusera att utveckla på inom celler och pack fram till 2030. Hon presenterade i egenskap som del av programrådet för Batterifondsprogrammet.
En viktig parameter är att det tar tid att utveckla koncept till färdig produkt.
Om vi vill ha en färdig produkt 2030, som innehåller ny utvecklade battericeller, så bör de produktionsfärdiga celler för en viss applikation finnas 2023 ansåg Helena Berg. Det beror på att produktutveckling tar fyra år och avancerat ingenjörsarbete tar tre år från cell till applikation, som t ex en bil.
Hon berättade sedan hur lång tid det tar från koncept för en battericell med ny kemi till att den finns som produktionsfärdiga celler. Historien visar att det tar mellan 10-20 år.
Det innebär att om vi ska fokusera på produkter till 2030 bör vi välja kemier som redan har blivit producerade på pilotlinor. De är förbättrade Li-jon, Na-jon samt Li-S (för en del nischer).
För de batterikemierna bör vi fokusera forskning och utveckling på förbättrade produktionsprocesser, minimera inaktivt material, optimera specifika egenskaper samt utveckla applikationsspecifika celler.
För packnivån är viktiga frågeställningar:

• Designa pack för
  • Återanvändning
  • Second life
  • Återvinning
• Förbättra de termiska systemen
• Förbättra kontroll av State-of-Power, State-of-Charge, State-of-Health b la för att öka livslängd.
• Minimera mängd inaktiva komponenter men behåll säkerhetsnivå
• Minimera kostnad (t ex med standardiserade komponenter)

För Second-life är exempel på prioriterade utvecklingsfrågor:

• Lagstiftningsfrågor som t ex vem installerar och vem äger
• State-of-Health
• Standardisering
• Affärsmodeller

För återvinngen bör fokus vara på:

• EU Batteri direktivet, med att utveckla metoder
• Hur hantera F-komponenter och lösningsmedel
• Energieffektivitet av återvinningen
• Öka värdet av katoder och anoder – vilka kan bli använda i framtidens batterier

Kristina Edström: Uppsala Universitet leder en ansökan för ett flaggskeppsprogram för batterier (ca 1,1 miljard Euro)
Ett stort forskningsprogram om batterier efter 2030 planeras. Målet är att det ska bli ett flaggskeppsprogram för EU. Det finns två flagsskeppsprogram inom EU idag. Ett av dem handlar om grafen .
Ett flaggskeppsprogram handlar om större mängd medel ungefär 1 miljard EUR som används under tio år.
Målet med flaggskeppsprogrammet om batterier är att ta celler från TRL 0 till mer mogna nivåer. Fokus är lösningar som kan vara disruptiva med hög prestanda samt vara hållbara och smarta.
Uppsala Universitet leder ansökningsprocessen. Den 18 september ska ansökan in för att få medel att skriva den fullskaliga ansökan, som kommer ta ett år att skriva
Kristina Edström (Uppsala Universitet) lyfte fram att det är viktigt att Europas satsningar satsar på några spjutspetsområden. Hon lyfte fram:

• Modellering
• Interface Engineering (kan bli Europas specialitet)
• Integration av smarta funktions, som t ex självläkande celler
• Grön och flexibel tillverkning
• Återvinningsbara 

Under processen har det bl.a. varit workshops om framtidens batterier [7,8].
Northvolt, Statens roll och var kommer batterier användas
Även Northvolts Emma Nerenheim, Chalmers Lisa Göransson och Tobias Persson från Tillväxtanalys presenterade under dagen.
Det de sa är värt egna nyhetsbrev, så vi kommer nog tillbaks till några av deras frågeställningar, men ni får en kort sammanfattning av deras huvudbudskap.
Emma Nerenheim från Northvolt berättade om att deras kunder anser att Northvolts klimatprestanda och mer hållbara leverantörskedjor är en stor marknadsfördel. Emma berättade också att de kommer köpa kobolt och litium från specifika gruvor där de har möjlighet att kontrollera att villkoren är bra.
Lisa Göransson gjorde en sammanfattning av forskning gjord på hennes avdelning på Chalmers [9-11]. De har bl. a undersökt hur batterier kommer in i framtidens elnät i Norra Europa, för hemmalagring i hus i Sverige och i transportsektorn. Batterier kommer ha en roll att spela att hantera variabel elproduktion för Norra Europas, men det kommer antagligen behöva kombineras med andra strategier.
Tobias Persson berättade om Tillväxtanalys arbete kring märkning av hållbara metaller samt också hur staten kan stödja utvecklingen att ta fram Innovationskritiska metaller och mineral [12,13].

Näringsminister Mikael Damberg, Vice-President för kommissionen Maroš Šefčovic och många andra var i Malmö den 23 maj för att diskutera European Battery Alliance.
Tyvärr var jag inte själv med, men har pratat med flera som var där.
European Battery Alliance lanserades oktober 2017 av kommissionären Maroš Šefčovic. Alliansen samlar många av aktörerna inom batteriproduktion i Europa. Målet är att skapa produktion av battericeller i Europa.
Kommissionen har också skapat en strategisk plan för batterier, som publicerades för ca en månad sen.
Maroš Šefčovic var tydligen med att berätta att Sverige och Northvolt är en viktig pusselbit och en föregångare för satsningarna inom European Battery Alliance.
Egna kommentarer
Batterier är nyckeln för e-mobility. Både att utveckla nya celler med bättre egenskaper, samt att faktiskt få upp massproduktion av batterier.
Det som överraskade mig mest var Hans-Eric Melins presentation om hur väl utvecklad återvinning är av batterier i Kina.
Jag tar också med mig Helenas presentation om hur lång tid det tar från koncept till att battericeller sitter i massproducerade produkter.
Sverige är ett nyckelland för batteriforskning och batteriproduktion enligt EU-kommissionen.
Vi kommer göra en djupdykning i EU-satsningarna om batterier i höst.
Det roligaste var tanken på att batterier kan få smarta funktioner, som t ex att självläka skador.
När jag hörde det tänkte jag på West Hams värvningsstrategi. Vi brukar köpa spelare som är bra, men som ofta blir skadade och som aldrig läker. Det är inget bra om man vill ha många prestandaminuter.
Framtidens batteri kanske inte har otrolig prestanda, men kan självläka och ha lång livstid. De batterierna kommer ha en lång användningskarriär.
Det finns nog inget som tyder på att batterier som fenomen är eller kommer bli färdiga, med de kommer nog vara tillräckligt bra för väldigt mycket och det är som det skall vara.
Referenser
[1] Challenge driven battery research for cost and resource efficiency. Program. 22 maj länk
[2] How the European Battery Alliance can accelerate the development of sustainable value chains for batteries. 23 maj. länk
[3] IN DEPTH: Recycling Li-ion Batteries – The Clean Energy Clean Up. Waste Management World. länk
[4] Benchmark mineral. Recycling Lithium ions. Q1 2017. länk
[5] Experterna: Här är pionjärerna som redan återvinner litium. Ny Teknik. https://www.nyteknik.se/energi/experterna-har-ar-pionjarerna-som-redan-atervinner-litium-6908006länk
[6] Battery builders get the cobalt blues. Chemistry World. 12 mars 2018. länk
[7] FET workshop on future battery technologies for energy storage. 10 januari 2018. länk (Även sammanfattande rapport samt alla presentationer).
[8] Towards the next generation of batteries ”made in the EU”. Blog post. länk
[9] Göransson, L. and Johnsson, F., 2017. A comparison of variation management strategies for wind power integration in different electricity system contexts. Wind Energy. länk
[10] Nyholm, E., Goop, J., Odenberger, M. and Johnsson, F., 2016. Solar photovoltaic-battery systems in Swedish households–Self-consumption and self-sufficiency. Applied energy, 183, pp.148-159. länk
[11] Taljegard, M., 2017. The impact of an Electrification of Road Transportation on the Electricity system in Scandinavia. länk
[12] CRITICAL METAL VALUE CHAINS – DEEP DIVE INTO BARRIERS AND POLICIES FOR A BATTERY VALUE CHAIN. Tillväxtanalys länk
[13] Innovationskritiska metaller och mineral från brytning till produkt – hur kan staten stödja utvecklingen? Tillväxtanalys. 2017. länk
[14] COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN
PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL
COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS
EUROPE ON THE MOVE. Sustainable Mobility for Europe: safe, connected and clean. länk
[16] EU Competitiveness in Advanced Li-ion Batteries for E-Mobility and Stationary Storage Applications – Opportunities and Actions. JRC. 2017. länk
[17] Create a pan-European and cross sectoral batteries ecoystem to make Europe a fast follower in battery technology and capture a new market worth 250B€/year in 2025. InnoWnergy. Priority Actions  länk (pdf)
[20] EN Horizon 2020 Work Programme 2018-2020 2. Future and Emerging Technologies. 2018. European Commission. länk