Vägen till minskat koboltinnehåll i batterierna går via nickel?

Det har nog inte undgått någon som följer utvecklingen av batterier till elfordon att det finns ett antal utmaningar kring användningen av kobolt: priset ökar, tillgången anses begränsad och efterfrågan ökar, sociala aspekter kring brytning i vissa länder, begränsad återvinning, termisk säkerhet, osv.

Hur mycket kobolt som kommer att behövas i framtiden är det många som räknar på och det kommer hela tiden nya rapporter. Men det alla rapporter pekar på är att det kommer behövas rejäl ökning av kobolt och alla talar om vikten av återvinning; effektivare återvinning eller fler återvunna batterier. Någonstans mellan 235-430 kton behövs till 2030, vilket är 160-230% mer än vad som globalt producerades 2018 [1,2]. Tillgång är en sak, att få fram de rätta kemiska föreningarna är en helt annan sak och detta till en tillräckligt hög renhetsgrad för att kunna användas i batterier (ofta 99,9% eller renare material behövs).

Det finns alltså ett stort incitament till att minska användningen av kobolt i batterier till elfordon: använda kemier med lågt koboltinnehåll eller kemier helt utan kobolt. I dagens nyhetsbrev fokuserar vi på aktiviteter för att sänka koboltinnehållet, imorgon är det helt koboltfria batterier som är i fokus.

Idag finns det tre huvudkategorier av Li-jonbatterier till elfordon: NMC, NCA och LFP. Och dessa förkortningar avser katodmaterialet. NMC är förkortning för nickel-mangan-kobolt-oxid och är kanske det katodmaterial som flest celltillverkare använder. NCA står för nickel-kobolt-aluminium-oxid och är det katodmaterial som Panasonic och Tesla använder. LFP står för litium-järnfosfat, är helt koboltfritt och används till bland annat hydridbussar och i de celler som Tesla ska använda i Kina som levereras av CATL, vilket vi skrev om tidigare. Mer om LFP imorgon.

NMC är ett antal av olika kombinationer av de tre metallerna. När materialet först introducerade var sammansättningen NMC111 – dvs. lika mycket av alla tre metallerna. Nickelinnehållet har med tiden ökat och NMC811 är på gång på bred front – dvs. 80% Ni och 10% av vardera Mn och Co. Ju högre nickelinnehåll desto högre kapacitet får materialet, dvs. cellerna blir lättare.

NCA däremot har mer eller mindre en fix sammansättning: 80% Ni, 15% Co och 5% Al.

Material- och celltillverkare minskar Co-innehållet – klarar de livslängden?

I slutet av 2019 stod NMC811 för ca. en femtedel av Li-jonbatteriproduktionen i Kina [3]. Många material- och celltillverkare studerar materialsammansättningar med ännu högre nickelinnehåll: bland annat NCM90505 (dvs. 90% nickel). SK Innovation säger att de ska ha detta material i produktion redan 2022 [4] och Ford ska använda cellerna i sin F-150 pickup [5]. Samsung planerar sedan ett antal år tillbaka att helt reducera koboltinnehållet [6].

Johson Matthey tillverkar ett katodmaterial som de kallar ’enhanced lithium nickel oxide’, eller eLNO. Dock innehåller materialet kobolt, även om den exakta sammansättningen inte är offentlig… [7] Materialet kommer att börja produceras 2021-22 i en anläggning i Polen [8].

Dock visar material med högt nickelinnehåll snabba på kapacitetsförluster vid användning och att livslängden förkortas. Tappet i kapacitet ökar mer om nickelinnehållet är över 95% och beror främst på mekanisk instabilitet och sprickbildningar i materialet [9].

Men behövs verkligen kobolt?

Grovt sett är både NCA och NMC förbättringar av LNO – litium-nickel-oxid, ett katodmaterial som inte är direkt tåligt för cykling, tappar snabbt kapacitet, termiskt instabilt och är luftkänsligt. Kobolt tillsätts för att stabilisera materialet och därmed öka användbarheten, men även för att minska reaktiviteten mellan katodmaterialet och elektrolyten.

Ju mer nickel det finns i NMC desto mer känsligt blir dock materialet för förhöjd temperatur, höga och låga laddningstillstånd och för luftfuktighet. Den senare aspekten påverkar hanteringen och att cellproduktionen måste göras i torr miljö, vilket är kostsamt både i utrustning och energibehov.

Men behövs verkligen kobolt? Den frågan har forskare ställt sig. Att eliminera kobolt medför vanligtvis att kinetiken försämras i materialet (dvs. minskad möjlighet för höga effektuttag eller snabbladdning). Dock kan detta lösas genom att kombinera nickel med andra metaller. Studier av olika varianter av NCA där man tagit bort kobolt, men även bytt ut aluminium mot mangan eller magnesium – 95% nickel och 5% av den andra metallen – visade att alla relevanta egenskaper hos NCA kunde matchas med material helt utan kobolt [10]. Andra forskare har visat att lika mängd nickel-mangan-aluminium-oxid funkar lika bra det [11].

Även ytbeläggningar kan ge förbättrade egenskaper för NMC med 91% nickel [12]. Så det finns troligtvis vägar framåt utan kobolt för ’NCA’ och ’NMC’.

Egna kommentarer

Tesla Model Y har en räckvidd på över 500 km. Batteripacket är på 75 kWh och baseras på NCA-celler. Mängden kobolt i detta pack är 9,75 kg. Motsvarande siffra för NMC811 är 6,75 kg. Tesla skulle med andra ord kunna minska koboltinnehållet med drygt 30% genom att byta kemi. Dock gäller det att alla andra aspekter är de samma: vikt och volym, energiinnehåll, kylstrategier, osv.

Om vi räknar grovt med ett behov av 400 kton kobolt till 2030 motsvarar det ca. 5,9 miljoner 75 kWh-batteripack per år om NMC811 används. Kommer detta bli en brist om det ska finnas mellan 75 och 140 miljoner personbilar (BEV) [13] på vägarna 2030?

Så för att klara av en bred omställning till elfordon behövs återanvändning, återvinning och batterier med noll kobolt. I och med att nickelrika material fortfarande har ett antal problem behöver de bli säkrare, få öka livslängd, och tillverkningen av material och celler bör ske i torrt klimat där energikostnaderna är låga (Sverige? Norge?) och öka återvinningsgraden/-effektiviteten.

[1] Perspectives on Cobalt Supply through 2030 in the Face of Changing Demand (länk)

[2] Cobalt: supply and demand balances in the transition to electric mobility (länk)

[3] NCM 811 Almost Account For A Fifth Of EV Li-Ion Deployment In China (länk)

[4] SK Innovation brushes off LG Chem suit, pushes for battery biz (länk)

[5] SK Innovations new NCM battery (9½½) will power the all-electric Ford F-150 pickup truck (länk)

[6] Samsung SDI embarks on R&D for cobalt-less batteries (länk)

[7] eLNO® Next generation. Ultra-high energy density. (länk)

[8] Johnson Matthey chooses Poland to produce new battery materials (länk)

[9] Degradation Mechanism of Highly Ni-Rich Li[NixCoyMn1–x–y]O2 Cathodes with x > 0.9 (länk)

[10] Is Cobalt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries? (länk)

[11] High‐Nickel NMA: A Cobalt‐Free Alternative to NMC and NCA Cathodes for Lithium‐Ion Batteries (länk)

[12] High-Performance and Industrially Feasible Ni-Rich Layered Cathode Materials by Integrating Coherent Interphase (länk)

[13] Global EV Outlook 2020 (https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2020)