Batteriforskningstrender i Storbritannien och i USA
Helena Berg
2020-06-16
I det korta perspektivet behöver vi öka vår förståelse för hur vi på bästa och säkraste sättet använder dagens batterier för att tillverka attraktiva elfordon. Dock finns det fundamentala begränsningar och nya lösningar kommer att behövas för en diversifierad fordonsflotta – alla kan inte använda samma batteri. Så i det längre perspektivet måste OEM:er anpassa sig till nya batterikoncept för att kapa kostnader, öka räckvidden, förbättra säkerheten och optimera prestandan för att förstärka varumärket.
Två länder som satsar stort på dagens och morgondagens batteriteknologier är Storbritannien och USA. Idag tittar vi närmare på deras satsningar och nyhetsbrevet är en sammanfattning av en stor del av det material som respektive länder publicerar.
Storbritanniens övergripande satsning – Faraday Battery Challenge
Under 2017 kickade Faraday Battery Challenge igång. Vi skrev om satsningarna under 2018. Under paraplyet Faraday Battery Challenge finns tre delar: forskning, innovation och uppskalning.
Forskningen koordineras genom Faraday Institution, som har en budget t.o.m. 2023 på 78 miljoner pund från offentliga medel och har som syfte att accelerera den fundamentala forskningen kring framtida batteriutmaningar. Både Li-jonbatterier och andra koncept är på tapeten. Totalt är 450 forskare från 22 universitet och 50 företag inblandade i de 6 större projekt som är igång för att förbättra dagens och nästa generation Li-jonbatterier, samt tre projekt kring nästa generations batterier: Na-jonbatterier, fastfasbatterier och Li-svavelbatterier.
När det kommer till forskningsfrågorna kring framtida koncept kan man dela in projekten i ett antal delar: utveckling av cellmaterial för ökad prestanda (energi och effekt), ökad säkerhet, längre livslängd och lägre kostnader; samspelet mellan ingående cellmaterial; och metodutveckling för anpassning av testmetoder och simuleringsmodeller. När det kommer till fastfasbatterier är produktionsutmaningarna i fokus, då traditionella tillverkningsmetoder måste optimeras och ändras.
I alla projekt deltar ett antal företag med eget kapital och egna aktiviteter för att stärka projektresultaten.
Företagen i UK kraftsamlar kring Li-jonbatterier, packdesign och BMS/BMU
Innovationsdelen är del av Innovate UK och har en bidragsdel på 88 miljoner pund och går till företag för att genomföra ’feasibility studies and collaborative research and development projects’. Vid en genomgång och statusrapportering som gjordes under senare delen av 2019 fanns det 63 projekt inom ’Innovations’. Ett flertal företag, ibland tillsammans med universitet, är inblandade. De flesta av projekten (15 st) handlar om materialutveckling kring Li-jonceller och 20 projekt rör packdesign, termisk styrning och BMS/BMU. Endast fem projekt handlar om återvinning, re-maunfacturing och 2nd life. Tio projekt handlar om andra batterikoncept och hälften av dessa kretsar kring Na-jonbatterier.
Pilotanläggningen inom Faraday Battery Challenge central
Vid sidan av forskningsaktiviteterna finns UK Battery Industrialisation Centre – en enhet som ska brygga mellan forskning och massproduktion. Med en större pilotanläggning skalas forskningsresultaten upp för att ta steget mot innovativa produkter – ’a learning factory’ – och hjälpa företag att snabbare komma ut på marknaden. Budgeten så långt är på 108 miljoner pund. Planen är att anläggningen utanför Warwick ska driftsättas under 2020 och ska på 20.000 kvm rymma produktion av elektroder, celler och moduler/pack som ska användas för validering och småskalig demonstration. Några centrala områden är nya produktionsmetoder, nya och/eller förbättrade cellmaterial, optimering av cellformat, moduler och pack. Allt ska kunna göras konfidentiellt så att IP-rättigheter kan säkerställas.
USA: Battery500 halvvägs till målet?
I USA har olika forskningsprogram kommit och gått, eller omformulerats genom åren. 2012 startade forskningssatsningen JCESR med målet 5-5-5: 5 gånger högre energitäthet, till 1/5 av priset och detta på 5 år. 2017 förlängdes projektet ytterligare fem år – Battery500 consortium skapades. Vi har skrivit om satsningarna under 2016 och 2018.
Battery500 consortium har som mål att demonstrera en battericell anpassad till en EV (BEV: red.anm.) med en energitäthet på 500 Wh/kg och till detta har man en budget på 10 MUSD från Department of Energy. 20 % av budgeten ska gå till idéer som kommer upp längs vägen. Ett av huvudspåren för att nå detta mycket tuffa mål är att använda Li-metall som anod istället för grafit och kombinera det med en lovande katod. Produktionsaspekterna är givetvis centrala för att snabbare få ut produkter på marknaden. Universitet, nationella lab och industriaktörer är partners i konsortiet.
Efter två år hade konsortiet en cell som kunde ge 300 Wh/kg, men dock under ett mycket begränsat antal cykler och med låga strömmar. Nu har de lyckats konstruera en cell som klarat 350 cykler med en energitäthet på 350 Wh/kg [1]. Detta är dock lägre än de siffror Tesla presenterat (se gårdagens nyhetsbrev). Strömmarna är dock fortfarande rätt låga (C/10 vid laddning och C/3 vid urladdning). Nyckeln är en ny elektrolyt som är stabil i kombination med Li-metallen, samt att tjockleken på katoden har ökats och anpassats till en tunnare Li-folie. För att få jämn prestanda har de även haft tryck på cellerna.
Strategin för att nå målet på 500 Wh/kg är att använda ännu tjockare katoder och ytterligare förfina stabiliteten för elektrolyten. Men först är tanken att utreda vad högre strömmar ger.
Varje år genomför Department of Energy en genomgång av alla projekten. Antalet projekt som rör batterier är för närvarande 138 st. I år hölls genomgången under första veckan av juni och alla presentationerna finns att ladda ner här.
Egna kommentarer
När jag jämför det två ländernas insatser på en övergripande nivå är det inte direkt någon skillnad. Båda länderna har ungefär samma mål och bygger vidare på lång tradition av forskning kring Li-jonbatterier från 70-talet.
Det som är styrkan i de brittiska satsningarna är att de satsar på en ’storskalig pilotanläggning’ – en nyckel till att stödja inhemsk industri och skapa möjligheter för nya bolag att etableras kring värdekedjan och kring nya batterikoncept.
För ungefär ett år sedan presenterade CATL en Li-joncell med en energitäthet strax över 300 Wh/kg [2]. Att nu man på forskningsstadiet i USA har en cell på 350 Wh/kg är bra. Ofta kan man se mer eller mindre fantastiska data och det kan ta ett tag att inse att data endast avser en elektrod. Ibland kan det vara katod, anod och elektrolyt som räknas in, men inte en full cell. Ett exempel är en cell med en Li-metall som anod och som visar på ca. 680 Wh/kg [3]. Dock är det inte för en hel cell, utan bara elektroder och elektrolyt. Om man lägger till allt annat som behövs (separator, strömuppsamlare, hölje, strömtilledare (tabs)) blir det endast ca. 290 Wh/kg. Och sedan på packnivå tappar vi ytterligare, kanske upp åt 50 %.
Referenser
[1] Battery500: Progress Update (länk)
[2] CATL achieves 304Wh/kg in new battery cells (länk)
[3] Nonflammable Lithium Metal Full Cells with Ultra- high Energy Density Based on Coordinated Carbonate Electrolytes (länk)