Batterier: CATLs satsningar på natriumjonbatterier

Högsommarvärmen är borta och vi på omEV hoppas att ni alla laddat era batterier under sommaren. Några som inte legat på latsidan är kinesiska CATL som i slutet av juli presenterade nästa steg i sin batteriutveckling: produktion av första generation natriumjonceller (Na-jonceller), samt att de anser sig ha en säkerställd leverantörskedja 2023 [1].

Cellerna som CATL presenterade har hög energitäthet (160 Wh/kg, vilket är något lägre än deras LFP-celler), klarar snabbladdning och kan laddas vid låga temperaturer. Förutom cellerna presenterade CATL även an lösning för ett batteripack där de i ett och samma batteripack blandar litiumjon- och natriumjonceller – ”The AB battery pack solution”.

Om du vill se hela presskonferensen (ca. 10 minuter) ser du den här.

CATL är en av världens största tillverkare av litiumjonceller till fordonsindustrin med en marknadsandel på ca. 30 % och de levererade mer än 34 GWh under det första halvåret 2021, vilket är en ökning med över 230 % jämfört med samma period 2020 [2]. Att CATL skulle presentera sin strategi kring natriumjonceller har figurerat i olika nyhetsflöden under våren. Men nu kom alltså den officiella presentationen av deras första generation natriumjoncell.

Det är främst lågtemperaturegenskaperna som de lyfter som den verkliga fördelen. Vid rumstemperatur kan cellerna laddas till 80 % state-of-charge på 15 minuter. Vid -20 °C tror CATL att systemverkningsgraden är över 80 % och att ungefär 90 % av laddningsmottagligheten finns. CATL ser därför de första applikationerna för sina natriumjonceller i regioner där temperaturen är mycket låg och som samtidigt kräver höga effekter.

De trycker även på att deras batteri klarar de nationella (läs: kinesiska) säkerhetskraven för traktionsbatterier.

Nästa generation natriumjonceller från CATL tros ha en energitäthet över 200 Wh/kg, dock ges ingen information kring hur detta ska nås. I en alldeles färsk forskningsartikel presenterar forskare (bl.a. från Uppsala och Chalmers) en ’roadmap’ hur natriumjonbatterier kan förbättras [3].

När det kommer till produktionen av natriumjonceller ser CATL ingen fundamental skillnad jämfört med produktionen av litiumjonceller; samma utrustning och processer, samt att produktionslinorna lätt kan ställa om. CATL säger att de siktar på att ha en leverantörskedja för natriumjonbatterier klar till 2023, samtidigt som de välkomnar samarbeten längs hela kedjan för att tillsammans snabba på utvecklingen.

Cellformatet verkar bli antingen prismatiska eller cylindriska, eller både, då de har presenterat båda varianterna med ”Na+” som branding [4].

CATL röjer minimalt om materialval

Istället för litiumjoner är det natriumjoner som går fram och tillbaka mellan elektroderna. Natriumjoner är dock betydligt större än litiumjoner och detta har varit en knäckfråga för forskare: att hitta elektrodmaterial som både kan fånga in och släppa ifrån sig natriumjoner utan att elektrodmaterialet förstörs och där kinetiken är acceptabel för ur- och uppladdning.

CATL har länge varit engagerade i forskningen kring elektrodmaterial till natriumjonbatterier. Precis som med litiumjonbatterier är natriumjonbatterier en hel familj av olika kemier, framför allt när det kommer till katodmaterialet. Det katodmaterial som CATL har valt är ’Prussian white’, ett val som enligt CATL löst problemen med att bibehålla en hög kapacitet vid cykling. När det kommer till anoden har CATL valt samma spår som ’alla andra’: hard carbon, med en porstruktur som möjliggör snabb transport av natriumjoner. CATL säger även att et utvecklat en unik elektrolyt – som alla andra celltillverkare är elektrolytens sammansättning hemlig…

AB-batteriet: blandning av litiumjon- och natriumjonceller

Förutom cellen presenterade CATL ett koncept för ett batteripack där litiumjonceller blandas med natriumjonceller – ”the AB battery pack”. Packets fördel skulle vara att kompensera för den sämre energidensiteten för natriumjoncellerna samtidigt som dess fördelar kan tas tillvara och antalet celler av de olika teknologierna behöver inte vara den samma. Batteristyrenheten ska kunna ta hand om olikheterna och balansera mellan alla celler i packet.

Egna kommentarer

Natriumjonceller har funnits i småskalig produktion ett antal år genom brittiska Faradion, men det är första gången en etablerad celltillverkare av ’GWh-klass’ som presenterar ett natriumjonbatteri.

I Kina finns litium, men mycket mer av natrium… Till skillnad mot litium är natrium ett grundämne som finns ’överallt’ och är det sjätte mest vanliga grundämnet på jorden. Detta torde leda till lägre kostnader jämfört med litium och en stabilare leverans.

Det är mycket som CATL inte nämner vid presskonferensen. De säger dock att de använder prussian white som aktivt katodmaterial. Prussian white har dock inte en given sammansättning, utan kan variera mellan tillverkare och tänkt applikation. Det är inte helt osannolikt att kobolt är en av metallerna i prussian white och kommer då ha samma ’problem’ som katodmaterialen i litiumjonceller. Vidare säger de inget om elektrolytens sammansättning och inte heller om den är vattenbaserad, vilket är möjligt med natriumjonbatterier. CATL säger heller ingen om utmaningarna med att sätta upp en leverantörskedja när det kommer till råmaterial.

Att sätta ihop ett batteripack av både litiumjon- och natriumjonceller är en intressant lösning, men kräver extra av BMU och så förlorar man en fördel med natriumjonbatterier: de går att kortslutna, vilket torde vara en fördel när det kommer till hantering, logistik och fordonsproduktion.

En variant av prussian white är prussian blue – en personlig favorit, men då i färgtuben…

[1] CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries (länk)

[2] Tesla Battery Supplier CATL Debuts Cheaper Sodium-Ion Batteries (länk)

[3] 2021 roadmap for sodium-ion batteries (länk)

[4] CATL presents sodium-ion battery design (länk)