”Solid-state”: mycket snack…

Det snackas mycket nu om ”solid-state batteries” – fastfasbatterier. Vi ser pressreleaser från start-ups, uttalanden från höga chefer inom fordonsindustrin och diverse forskningsgenombrott rapporteras från universitet runt om i världen. Teknologin som ska rädda elbilen: lång körsträcka i kombination med supersnabb laddning. Samt att batterierna ska vara oerhört mycket säkrare än dagens Li-jonbatterier. Är det så att Toyota har batterierna i produktion 2020?
Sant eller hype? Idag tittar vi lite närmare på teknologin, företagen och förväntningarna.
Vad är ett ”solid-state”-batteri?
När man pratar om teknologin menar man att alla delar av cellen är fasta, dvs. även elektrolyten, som kan vara av keramiska, polymera eller glas-material. Polymerer är vanligast. Det mesta ’snacket’ och förväntningarna ligger dock hos keramiska elektrolyter. Gemensamt har de olika varianterna en anod av Li-metall. På cellnivå påstås det finnas en potential att öka energitätheten jämfört med Li-jonbatterier upp till ca. 2-3 gånger. Vad det blir på packnivå är ännu oklart.
Batterier med polymera elektrolyter finns redan idag på marknaden. Ett exempel är franska Bolloré.
Fisker lovar 500 miles och snabbladdning
Många nyheter har under det senaste året kretsat kring Fiskers satsningar på ”solid-state” då de siktar på att ha batterier i produktion inom kort [1]. Fisker tror även att kostnaden skulle bli ungefär en tredjedel jämfört med dagens Li-jonbatterier [2] (på cellnivå, red. antagande).
I höstas svämmade nyhetsflödet över av att Fisker säger sig hittat ett sätt att snabbladda batterier baserade på keramiska elektrolyter [3], ett välkänt problem för just sådana elektrolyter. Det nyheten egentligen handlade om var att Fisker hade patenterat ett material som skulle kunna möjliggöra snabbladdning. Alltså ett steg på vägen, men inget färdigt batteri. Dock verkar det vara polymerbaserade celler som de nu tänker lansera. Tidigare i sommar sa Henrik Fisker att de tänker producera ”flexible solid-state batteries” [4]. Om du vet vilken/vilka som Fisker utvecklar batterierna ihop med få du gärna tipsa oss i redaktionen.
2015: Dyson köpte Sakti3 och Bosch köpte Seeo
En av de aktörer, vid sidan av Fisker, som fått mest uppmärksamhet är kanske det Kalifornienbaserade Sakti3. 2014 sade de sig ha celler med en lovande energitäthet (400 Wh/kg och 1140 Wh/L). Året därpå, 2015, köpte brittiska Dyson upp Sakti3 för 90 miljoner USD [5]. Dyson tänkte använda batterierna till de tre olika elbilarna som de utvecklar. Men ”solid-state” kommer inte att finnas med i första generationens bilar från Dyson. Det framgår inte om cellerna från Sakti3 baseras på en polymer eller en keram, troligtvis det förstnämnda.
Seeo, ett spin-off-företag från Berkeley, köptes även de upp 2015, av Bosch [6]. Cellerna är baserade på polymera elektrolyter. I våras meddelade dock Bosch att de tänker sälja Seeo [7].
Klustret Renault-Nissan-Mitsubishi + Hyundai satsar på Co-fria polymerbaserade celler
Samarbetet Renault-Nissan-Mitsubishi rör även det ”solid-state”. Tillsammans satsar de under en femårsperiod en miljard USD på bl.a. batterier. Det är det amerikanska bolaget Ionic Materials som ska utveckla batterier till klustret. Det kommer bli polymerbaserade celler helt utan kobolt [8]. Även Hyundai och A123 följer efter och investerar i Ionic Materials [11].
BMW verkar gå mot keramiska ”solid-state”-batterier
BMW verkar vara det enda företaget hittills som investerat i ett företag som säger sig utveckla 100% oorganiska Li-batterier – Solid Power [12]. Företaget ägs även av A123. I och med att de säger att cellen är 100% oorganisk utesluter vi polymera elektrolyter. Dock är batterierna inte redo för fordon än. “It’s too early to discuss BMW’s entry point for solid state. […] I think our cars will use normal lithium-ion batteries for the next two or three generations.”, sa Stefan Juraschek, BMWs chef för elektriska drivlinor, på frågan om BMWs batteriplaner. [13]
VW funderar på egenproducerade ”solid-state”-celler
Det har varit många turer fram och tillbaka kring VW och batterier: att tillverka eller att inte tillverka. Under en längre tid har VW samarbetat med Quantum Space. I somras tog det ny fart när VW investerade 100 MUSD i Quantum Space. Enligt VW kommer ett pack med ”solid-state”-batterier bli storleksmässigt likt dagens Li-jonbatterier, men räckvidden närmar sig den för en bensinbil. Man räknar med 750 km räckvidd för en E-Golf, jämfört med ca. 300 km med Li-jonbatterier [14]. Allt ska vara klart till 2025. Dock återstår, enligt VW, två utmaningar: prestanda och massproduktion… [15] Vi tolkar detta med att VW inte än lyckats skapa celler som har potential att ha bättre prestanda än dagens Li-jonceller.
Nu under sommaren har dock planerna för VW tagit nya riktningar och man planerar för produktion av egna ”solid-state”-celler. “We must not make ourselves dependent on a few Asian manufacturers in the long term,” sa VWs VD Herbert Diess när han presenterade årets andra kvartalsrapport [16].
Daimler: batterier från Bolloré ett alternativ till nya bussplattformen eCitaro
Daimler presenterade sin nya plattform för elektriska bussar under sommaren [17]. Man tänker sig olika batterilösningar utifrån olika kunders behov. En lösning är att Daimler kommer ha Bollorés ”solid-state”-batterier som ett alternativ [18]. Bolloré har sedan länge tillverkat ”solid-state”-batterier till sina BlueCars, som används i Bollorés bilpooler. Vi skrev nyligen om att bilpoolen i Paris (Autolib’) är borta. Det är inte de första bussarna som utrustas med dessa polymerbaserade ”solid-state”-batterier. BlueBus, Bollorés elbussar, finns på ett flertal ställen i Frankrike och Belgien [19]. Totalt över 50 bussar i Ile-de-France.
Stora forskningsanslag i Japan
Japanska staten satsar 14 MUSD (ca. 128 MSEK) på forskning inom ”solid-state”, samt att företagen som är med bidrar. Alla stora företag, institut och universitet är med. Målet är en räckvidd på 550 km 2025 för en personbil och de hoppas att 2030 ska räckvidden vara hela 800 km. Lithium Ion Battery Technology and Evalutation Centre (Libtec) är de som håller i trådarna. [8,9]
NEDO finansierar ett annat statligt forskningsprogram i Japan: 90 MUSD (ca. 820 MSEK) [10]. 23 företag och 15 universitet och institut ska försöka nå målen för 2030: 90 $/kWh (på cellnivå), packkostnad en tredjedel av dagens Li-jonbatterier och snabbladdning på tio minuter.
Än är det oklart vad som skiljer de båda programmen åt, eller om det är samma satsningar men finansiering från två statliga håll? Tipsa oss gärna om du har koll.
Musk och Anderman är skeptiska
Tesla, en av världens största användare av Li-jonbatterier, är däremot lite mera skeptiska till ”solid-state” och Toyotas tuffa tidsplan, men de förnekar inte att de följer teknologiutvecklingen noga. Tesla får medhåll från en av världens främsta analytiker av batteri till fordon, Menahem Anderman, som menar att kerambaserade ”solid-state”-batterier fortfarande är på forskningsstadiet. [20]
Dock är det mer 2030 som gäller för Toyota [21]. Ett exempel på hur fel det blir när fel personer uttalar sig…
Egna kommentarer
Det pratas massor om ”solid-state”, snabbladdning, säkerhet och räckvidd. Då är det främst keramiska elektrolyter som är i fokus. Forskningsmässigt är det dock fortfarande mest polymera elektrolyter som avses. Men även de flesta företag verkar jobba med polymerbaserade elektrolyter. Därför är det underligt att det är så mycket snack där kerambaserade elektrolyter avses.
Säkerhet är något som ofta nämns. En keramisk elektrolyt ökar säkerheten då det inte finns något brännbart material inne i cellerna. Å andra sidan är ett batteri med en polymerelektrolyt inte självklart säkrare än ett Li-jonbatteri.
Det finns dock stora frågetecken kring ”solid-state”-batterier. Det gäller bl.a. att få tillräckligt tunna elektrolyter så att de kemiskt eller mekaniskt håller. Materialen behöver bli avsevärt billigare och tillverkningsprocessen bör utvecklas kraftigt för att det ska bli lönsamt. Vidare måste kontakten mellan elektrod och elektrolyt vara extremt bra för att minimera de interna resistanserna.
En keram har dock även andra nackdelar i fordonsapplikationer med tanke på vibrationer – hela fordonsinstallationen med temperaturhållning och/eller vibrationreducering måste beaktas.
En av de främsta anledningarna till att de traditionella batteritillverkarna inte är drivande är att ”solid-state”-batterier kräver andra produktionsprocesser och inte kan tillverkas i befintliga fabriker.
Förväntningarna verkar vara skyhöga på något som än inte än har visat sig gå att masstillverka – keramiska elektrolyter. Polymerbaserade elektrolyter verkar alla forska på och utveckla, men snacka mindre om. Märkligt… Personligen drar jag paralleller till hypen kring Li-luft som drev fram för ungefär tio år sedan. Tekniken har potential, men mycket återstår.
Referenser
[1] Electric cars could use another big battery breakthrough — this CEO says he’s got it. länk
[2] Solid State Battery Electric cars could have over 600 mile range in 2020-2024 länk
[3] Fisker claims solid-state battery ‘breakthrough’ for electric cars with ‘500 miles range and 1 min charging’ länk
[4] Exclusive: Henrik Fisker Talks EMotion, Solid-State Batteries
länk
[5] Dyson Buys Sakti3. länk
[6] Bosch acquires U.S. electric car battery developer Seeo.
länk
[7] Bosch Disbands Internal Battery Cell Research, Will Sell Solid-State Startup Seeo länk
[8] Renault, Nissan, Mitsubishi confirm $1 billion fund to bankroll mobility startups. länk
[9] Japan’s major carmakers pushing for solid-state batteries.
länk
[10] Japan NEDO launches major $90M solid-state Li-ion battery project targeting EVs; 23 companies, 15 universities/research institutes länk
[11] Hyundai investing in cobalt-free solid-state batteries
länk
[12] Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries länk
[13] Once you go EV, you don’t go back. And BMW intends to keep it that way länk
[14] VW secures solid-state technology from QuantumScape
länk
[15] VW targets solid-state battery production by 2025
länk
[16] VW is considering its own battery cell production for electric vehicles – but solid state this time. länk
[17] Mercedes-Benz premiers eCitaro electric bus (video)
länk
[18] Daimler retient les batteries de Bolloré pour équiper ses bus électriques länk
[19] BlueSolutions. länk
[20] Toyota Teases Solid-State Battery Breakthrough; Elon Musk Skeptical. länk
[21] Toyota: Solid-State Batteries Likely to Arrive in 2030. länk