Trender Li-jonbatterier till elfordon

Dagligen kan vi läsa nyheter om batterier: nya forskningsresultat, start-ups som har nya grejen, ökade produktionskapacitet hos ’jättarna’ – allt från material till celler till pack. De snabba förbättringarna av Li-jonteknologin i termer av kostnad och prestanda, i kombination med en ökad efterfrågan på elfordon och lagringsmöjligheter av förnybar energi, attraherar enorma investeringar i ekosystemet kring Li-jonbatterier och dess efterföljare.

Investeringarna kommer att driva på utvecklingen, men in vilken riktning? Vad är trenden för framtiden? Rocky Mountain Institute (RMI) har gjort en djupdykning [1]. Priserna på Li-jonbatterierna sjunker, prestandan och säkerheten förbättras, återvinnings- och återanvändningsmarknaden börjar ta fart. Behöver vi nya batterikoncept? Det är en fråga som vi kommer beröra i dagens nyhetsbrev med avstamp i RMIs rapport, men även analyser som KPMG och Benchmark Minerals har gjort. Imorgon tittar vi lite närmare på vad som sker inom framför allt i USA och Storbritannien kring forskning och i övermorgon om strategierna hos de sydkoreanska celltillverkarna.

Trender som formar industrin kring Li-jonbattericeller

Li-jonbatterier har möjliggjort elbilarnas framfart – en hel familj av olika materialkombinationer och olika design. Vi vet att de aktiva materialens beskaffenheter ner på atomnivå är avgörande för batteriets prestanda, men även hur det är tillverkat – partikelstorlek, elektrodtjocklek, cellformat, osv. och hela vägen upp till styrstrategier för användning, laddning och temperaturhållning.

Det finns några övergripande trender som formar industrin kring produktion av Li-jonbattericeller. Benchmark Minerals Intelligence har sammanfattat trenderna[2]:

• Västvärldens krav på högre kvalitet
• Ni-rika katodmaterial
• Strategiska val av katodmaterial till olika applikationer
• Kina dominerar den globala råvarukedjan
• Möjlighet till vertikal integration längs värdekedjan
• Obalans i tillgång och efterfrågan

Kostnaden för Li-joncellerna halveras till 2030?

Batterikostnaden utgör ca. 40 % av kostnaden för en BEV (elbil), och kostnaden för battericeller har minskat med 70 % sedan början av 2010-talet. Enligt en rapport från KPMG som kom ifjol förväntas kostnaden att halveras ytterligare till 2030 på grunda av teknisk utveckling, men även skalfördelar i produktionskapaciteten. [3]

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) rapporterar ofta analyser om kostnadsutvecklingen för Li-jonceller till elfordon. Fram till 2024 tror de att kostanden sjunker till 100 USD/kWh, i linje med många andra analytiker. BNEFs analyser pekar på en kostnad på 87 USD/kWh år 2025 och 61 USD/kWh år 2030 [4]. MIT har sammanställt forskning kring framtidens mobilitet och deras slutsatser är att på packnivå kostar batterierna till elfordon 124 USD/kWh år 2030 [5]. Detta är inte en omöjlig kostnad, men det finns många valmöjligheter att göra. Vidare kommer forskning och utveckling, tillsammans med produktionsutveckling och -utbyggnad, göra att Li-jonbatterierna kommer vara det självklara valet åtminstone till 2025.

Energitätheten på cellnivå dubblats sedan 2010 och forsätter uppåt

RMI menar att energitätheten på cell- och packnivå kommer att vara avgörande. Samtidigt som kostnaden sjunker ökar energitätheten (i Wh/kg) på cellnivå. Sedan 2010 har energitätheten mer än dubblerats och räknar vi även in celler för andra tillämpningar än fordon har energitätheten nästan tredubblats [6]. Tesla har, via Maxwell (supercap-företaget de köpte 2019), presenterat data för hur energitätheten förväntas öka i och med deras interna projekt Roadrunner, för att utveckla ett eget batteri. De menar att nuvarande siffra för energitätheten är 385 Wh/kg och att de inom två till tre år troligtvis når 435 Wh/kg och att 500 Wh/kg torde vara möjligt 2027/2028 [7] – en ökning på ca. 30 %.

Stor ökning av produktionskapacitet, men celler kan vara en bristvara de kommande åren

Produktionsaspekterna blir mer och mer viktiga. Benchmark Minerals Intelligence har länge följt utvecklingen av produktionskapacitet. Under våren har nya data presenterats när det kommer till produktionskapacitet och efterfrågan. Under de senaste fem åren har antalet Megafactories (dvs. med en årlig kapacitet på > 1 GWh) ökat från tre stycken till 123. [8] De menar att det kommer dröja till 2029 innan efterfrågan är större än utbudet, men att celler med hög kvalitet och som är anpassade för fordon kommer att fram till dess vara en bristvara för många OEM:er. Speciellt tror de att 2021 kommer bli ett tufft år. Under 2019 användes det globalt 95,6 GWh för elfordon, vilket är en ökning med ca. 30 % jämfört med 2018 [9].

En annan slutsats från Benchmark Minerals Intelligence är att de stora celltillverkarna kommer bli större. Mindre fabriker (nuvarande och planerade) kommer troligtvis att försvinna – dvs. att vi kommer se en kapacitetsökning men med färre fabriker.

Roskill har räknat på framtida behov och ser en tiofaldig ökning i termer av GWh producerade celler: 2029 kommer behovet att överskrida 1800 GWh [14]. Under 2019 tillverkades ca. 180 GWh Li-jonceller och där ca. 60 % gick till fordonsindustrin globalt. Roskill baserar sina analyser på att fler och fler OEM:er kommer gå mot Li-jonbatterier med mindre mängd kobolt (och mer nickel) och det skulle leda till fler producenter av celler med katodmaterialen NCM811 och NCM721, men även att LFP-celler kommer få ett uppsving. Även förväntar de sig att celler med anoder med högre kiselinnehåll och LTO kommer att få större marknadsandelar.

Miljöaspekterna kommer bli viktigare och viktigare när det kommer till cellproduktion; grön el och låg användningen av vatten, etc. Som en kul jämförelse så går det åt 3840 liter vatten för att ta fram den mängd litium som behövs till ett batteripack på 64 kWh, vilket är motsvarande mängd vatten som går åt för att tillverka en halv pint öl [10].

Andra koncept knackar på dörren

Ingen teknologi kommer att helt ta över Li-jonbatterimarknaden. Begränsningar i Li-jonbatteriteknologin kommer inte att kunna övervinnas av en låg kostnad för alla applikationer. Redan 2025, men senast 2030, tror RMI att det finns kommersiella batterier som inte är Li-baserade. De menar även alla aktörer längs kedjan från gruvindustri till återvinningsindustrin, inklusive myndigheter och andra instanser, bör följa utvecklingen noga och planera och agera därefter – vad gör en varierande batteriflora strategiskt åt mitt ’business case’? RMI framhåller att det är lätt att luta sig tillbaka och tro att Li-jonbatterier kommer vara allenarådande.

RMI beskriver även hur de ser på utvecklingen av Li-jonbatterierna i olika aspekter, men att kompromisser mellan de olika kommer att behöva göras. Huvudspåren är följande:

• Kiselbaserade anoder för högre energitäthet [ex. 11]
• Optimerade elektrolyter för ökad säkerhet och snabbladdning, samt att möjliggöra för högre cellspänning (uppåt 5 V, red. anm.) [ex. 12]
• Optimerade katodmaterial för högre cellspänning och snabbladdning [ex. 13]

Kostnaden per kWh är avhängt materialkostnaderna och då främst koboltinnehållet. Kostnaden per kW är avhängt om det går att få till Li-jonceller med ökad cellspänning. Livslängden ser de dock som den mest utmanade aspekten.

Med en lägre batterikostnad och ökad tillgång på celler öppnar det upp för fler applikationer och där utbudet av produkter kommer öka, såsom två- och trehjuliga fordon som vi skrev om i höstas, men även för kommersiella elfordon. Och i takt med att det kommer fler och fler applikationer kommer behovet för nya teknologier och koncept växa fram som bättre kan möta ett specifikt behov: Li-jonbatterier med högre cellspänning, fastfas-Li-batterier, Li-svavelbatterier, Na-jonbatterier, osv.

Referenser

[1] Breakthrough Batteries (länk)

[2] 6 Key Battery Trends that are shaping the Li-Ion battery cells business – AND The Future of EV’s (länk)

[3] Mobility 2030: Transforming the mobility landscape (länk)

[4] (länk)

[5] Insights into Future Mobility (länk)

[6] (länk)

[7] Tesla’s secret Roadrunner project: new battery production at $100 per kWh on a massive scale (länk)

[8] Electric vehicles face long-term tier one battery bottleneck (länk)

[9] Adamas: 95.6 GWh of EV battery capacity deployed globally in 2019 (länk)

[10] Lithium produced for Tesla’s batteries is less polluting than 31 cups of coffee: researcher (länk)

[11] Silicon based lithium-ion battery anodes: A chronicle perspective review (länk)

[12] High-voltage electrolyte gives lithium-ion batteries a boost (länk)

[13] Research advances on cobalt-free cathodes for Li-ion batteries – The high voltage LiMn1.5Ni0.5O4 as an example (länk)

[14] Li-ion battery demand to grow tenfold by 2029 – report (länk)