Batteriforskning i USA

Det har varit en del frågetecken om hur USA ska fortsätta sina forskningsinsatser kring batterier. 2012 sjösattes Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) med ambitiösa målsättningar med fem gånger högre energitäthet, till 1/5 av priset och på fem år: ”5-5-5”. Halvvägs in i projektet gjorde vi en genomgång. Nyligen förlängdes uppdraget ytterligare fem år, vilket vi nu tittar närmare på. Samt nyheter om några ytterligare batterisatsningar inom Battery 500 och osäkerheten kring ARPA-Es framtid.
24 miljoner dollar per år: tar avstamp i 24.000 studerade material
Department of Energy (DoE) har beslutat att satsa ytterligare 120 miljoner dollar (24 miljoner dollar per år) i JCESR, DoEs Energy Innovation Hub som leds av Argonne National Laboratory. [1,2]
JCESR är uppdelat i fem forskningspelare med en integrerande funktion för att få alla delarna att hålla ihop och skapa mervärde på en bredare front. Under de första fem åren publicerades mer än 380 vetenskapliga artiklar och tre start-ups bildades: Blue Current, Sepion och Form Energy. Men kanske det viktigaste är att man hittat ett nytt angreppssätt att driva forskningen framåt och att 5-5-5-målen inte var så enkla att realisera…
En av hörnstenarna i nästa fas blir den databas, eller materialgenom, med över 24.000 olika elektrod- och elektrolytmaterial som man studerat med hjälp av olika beräkningsmetoder för att förstå materialens potential att fundera i ett batteri. Det som inte finns med är hur denna enorma mängd material går att tillverka, dess funktion ihop med övriga komponenter i en cell eller hur cellens egenskaper påverkas på lång sikt, vilket förhoppningsvis kommer att studeras i nästa fas.
Disruptiva visoner även i USA: materialen i fokus
EUs vision är disruptiv batteriforskning, vilket Kristina Edström vid Uppsala universitet berättade om i vår podd. I USA har man samma vision – disruptive research. Man vill omdana batteriteknologin med nya material och medvetet, ur ett ”botten-upp-perspektiv”, skapa egenskaper och fenomen som formulerats på materialnivå. Utifrån detta vill man ta fram helt nya batterikoncept som ska kunna möjliggöra användning i nästa generations fordon, men även i elnätapplikationer.
Under de kommande fem åren är det alltså materialen som står i fokus. Batterier för elnätapplikationer får en tydligare roll, men även snabbladdning för fordon och elektriska flygplan finns med på kartan. Självklart är det inte en ensam teknologi som ska lösa allt, utan man ser ett flertal olika lösningar där materialen skräddarsys för att passa en given applikation eller möta ett visst prestandakrav. Balansen mellan olika krav (frekvent cykling, livslängd, energitäthet, låg självurladdning, temperaturintervall, snabbladdning, säkerhet, kostnad, etc.) kommer bli en enorm utmaning.
Battery 500 – inte en elektrisk Fiat 500… utan celler med 500 Wh/kg
Ett annat initiativ med finansiering från DoE är Battery 500, och leds av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Målet är att ta fram batterier som ska möjliggöra en körsträcka på 500 miles (ca. 800 km). Och till detta har man räknat ut att man behöver utveckla en battericell med en energitäthet på 500 Wh/kg. I somras blev det klart att 15 projekt får dela på totalt 5,7 miljoner dollar från DoE [3]. Batterisatsningen är en del av ett större fordonsforskningsprogram på totalt 19,4 miljoner dollar.
Projekten kommer utvärderas efter 18 månader och de mest lovande får fortsatt finansiering. Battery 500 syftar till att utveckla batterier med metalliskt litium anod och finansieringen speglar detta: Li-svavel (40%) eller fastfas-batterier (28%), samt att en fjärdedel av medlen avser forskning kring just den metalliska litium-anoden och dess gränsskikt mot elektrolyten. Endast ett projekt (och ca. 7% av DoE-pengarna) avser Li-jonteknologien och där järnbaserade katoder är i fokus.
Battery 500 är ingen ny historia utan startade på IBM under 2009 och har sedan dess vuxit sedan till ett multinationellt partnerskap med kommersiella och akademiska deltagare i Europa, Asien och USA. Då, för snart tio år sedan, var fokus Li-luftbatterier.
Närmare 17 miljoner dollar till Co-fria katoder
Trots att president Trump skurit i forskningsbudgeten för 2018 satsar DoE ytterligare en hel del på batteriforskning även i 2018 års fordonsforskningsprogram [4]. I årets fördelning av forskningsmedel går all finansiering till batterier till koboltfria katodmaterial med en finansiering på närmare 17 miljoner dollar, eller 20% av de totala medlen inom fordonsforskningsprogrammet. Störst finansiering fick ”Technology integration” med ungefär en tredjedel av totalbudgeten. Dock är det oklart vad som egentligen ingår då det verkar vara en stor variation bland projekten.
Nästan lika mycket bidrag som batteriforskningen går till snabbladdning och laddinfrastruktur. Optimering av motorer och bränslen satsas det endast 12% på, eller ca. 10 miljoner dollar.
ARPA-E på väg ut – kan påverka framtida batteriinnovationer
Enligt ett budgetförslag skulle organisationer som Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) och Advanced Technology Vehicle Manufacturing Programme helt och hållet elimineras och istället skulle den privata sektorn stå för aktiviteterna. I våras började förslaget bli verkligt och DoE gör inget som rör ARPA-E, även för pågående projekt. Den resulterande osäkerheten har stor inverkan på forskargrupper och hotar även de småföretag som är beroende av forskningsmedlen.
I augusti fick ARPA-E en ny chef, Lane Genatowski [5], som säger att han stödjer presidentens budget. Dock är det oklart om han kommer lägga ner ARPA-E omgående eller om han vill köra klart pågående forskningsprogram.
Nyligen blev det dock klart att 10 projekt beviljas finansiering för elnätlagring för back-up på 10-100 timmar [6].
Egna kommentarer
Antingen är det så att alla inser vad som behöver göras, eller så kopierar EU USA, eller tvärt om. Det känns som om det är många likheter med det som nu JSECR ska göra och det som vi hoppas att EU gör genom flaggskeppet Batteries 2030+.
Den största skillnaden är att inom Batteries 2030+ vill man sätta samspelet i cellen i fokus. Och att produktion, resurser och återvinning finns med som en röd tråd. En tydlighet som jag saknar i presentationer och information från JCESR.
Att som JCESR gjort i första fasen med att räkna igenom 24.000 olika material är på ett sätt slöseri med resurser. Å andra sidan går många av beräkningarna snabbt, så har man väl satt en strategi går det att snabbt få en överblick. Troligtvis rör det sig inte om 24.000 unika material. Många material är varianter på samma, t.ex. likt NMC som kan ha ett flertal olika förhållanden mellan mängden nickel, mangan och kobolt.
Att ta fram ett helt nytt batterikoncept på fem år är näst intill omöjligt om man inte tänker sig att konceptet ska tas mer än från ’pappersservetten’ till forskningslabbet. Om man ska gå hela vägen till en cell som är redo för massproduktion tar detta nästan lika lång tid som att ta fram ett nytt läkemedel; man bör räkna med 15-20 år.
Battery 500 är ett intressant projekt som inte kommit direkt någonstans för att få Li-luftbatterier till fordon. Nu tar man nya grepp och förhoppningsvis lyckas man bättre. De har som mål med 500 Wh/kg på cellnivå – men hur stora blir de? Vore intressant att få veta om de även har mål per volymenhet. Kommer batterierna få plats i en bil?
Referenser
[1] DOE to renew JCESR for advanced battery research; $120M over 5 years länk
[2] JCESR länk
[3] FY 2017 Vehicle Technologies Program-Wide Funding Opportunity Announcement Selections DE-FOA-0001629 länk (pdf)
[4] DOE selects 42 advanced vehicle technology research projects for $80 million in funding länk
[5] U.S. energy research agency doesn’t need a scientist at the helm, Congress tells nominee. länk
[6] DEPARTMENT OF ENERGY ANNOUNCES NEW PROJECTS TO EXTEND GRID ENERGY STORAGE. länk