Det våras för natrium
Skribent (gästinlägg)
2023-12-05
av Daniel Brandell och Reza Younesi
I mitten av november släppte Northvolt en nyhetsbomb [1]: de inleder storskalig tillverkning av natrium-jonbatterier. Av pressmeddelandet framgår att det Uppsala-baserade företaget Altris varit centralt i utvecklingen av cellkemin för batterier [2]. Atris är en spin-off från batteriforskningsmiljön vid Uppsala Universitet och har framför allt arbetat med att ta fram ett katodmaterial för Na-jonbatterier som kallas Prussian White. Det är sålunda svensk forskning och teknik som ligger till grund för dessa nya batterier, och med resurser och material som är lätt tillgängliga i Sverige och Europa.
Det är sannolikt att det huvudsakliga tillämpningsområdet för Northvolts natrium-jonbatterier kommer att vara storskalig och stationär energilagring, men framöver kommer de säkerligen bli relevanta även för fordonssektorn. En sådan utveckling syns redan i exempelvis Kina, med BYD som tydlig pionjär [3]. Na-baserade elbilar rullar redan på kinesiska väger [4]. I andra delar av världen har utvecklingen inte kommit riktigt lika långt, mycket beroende på att den volumetriska energitätheten är något för låg för de flesta sorters elbilar som de stora biltillverkarna idag fokuserar på. Men, det går att förutse allt högre prestanda för Na-jonbatterier, en prisstegring på kritiska råvaror för Li-jonbatterier, och uppkomsten av ett priskänsligt kundsegment som främst vill ha EVs för kortare körsträckor. Detta talar för att Na-jonbatterier har en lovande framtid även för europisk fordonsindustri.
Varför gör Northvolt detta nu? Det var inte många år sedan natrium-baserade batterier klumpades ihop med andra ”nästa-generations-kemier”, som litium-svavel, litium-luft, divalenta och trivalenta system, organiska elektroder, med flera. Detta var batterier för främst nisch-applikationer och med sikte på industrialisering bortom år 2030. Istället var det fastfasbatterier som det förutsågs skulle ta betydande marknadssegment relativt tidigt. Men det är nu alltmer tydligt att Na-jonbatterier har kört om de andra alternativen, medan utvecklingen av fastfasbatterier går mycket mer långsamt än vad som spekulerats.
omEV har tidigare skrivit om utvecklingen av natrium-jonbatterier [5-7]. De potentiella fördelarna jämfört med Li-jonbatterier är fortfarande desamma: framför allt möjliggör Na-jon mer resursmässigt hållbara och billigare batterier. Natrium finns överallt på planeten, och den för Li-jonbatterier nödvändiga kopparfolien kan ersättas med klart billigare och mer lättviktigt aluminium. Detta innebär också att batterierna kan transporteras i kortslutet tillstånd, vilket är en avgörande fördel säkerhetsmässigt. När det gäller katodmaterial går det med Na-batterier att komma bort från beroendet av kritiska metaller som kobolt och nickel, förutsatt att man använder sig av de järnbaserade katodmaterial. Energitätheten i batterierna innebär förvisso en kompromiss i jämförelse med Li-jon, men den gravimetriska (den så kallade specifika energin) är för Na-jonbatterierna i nivå med LFP-baserade Li-jonbatterier. Det finns också utrymme för att öka energitätheten i natrium-jonbatterier framöver (genom till exempel legerande anodmaterial), och nästa generations celler kan potentiellt gå om Li-jonbatterier med LFP.
En stor anledning till att Na-jonbatterier kunnat utvecklas i så snabb under bara några år handlar om de relativa likheterna med de etablerade Li-jonbatterierna. Dels är processkemin mycket lik, och en fabrik anpassad för Li-jonbatterier kan i princip också tillverka Na-jonbatterier. Detta skiljer sig radikalt från solid-state, där flera processteg tillkommer och materialen är mycket mer känsliga för sidoreaktioner [8] Sedan är den grundläggande kemin i batteriet i stora delar analog med den i Li-jonbatterier: båda typerna av batterier bygger på kolbaserade anodmaterial, oorganiska katodmaterial som bygger på interkalation av Li- eller Na-joner, samt flytande elektrolyter med organiska lösningsmedel. Samma lösningsmedel, separatorer och andra inaktiva komponenter som utvecklats för Li-jon kan flyttas över till Na-jon. I viss utsträckning är materialutvecklingen evolutionär, snarare än revolutionerande.
Inte bara nya och mer stabila katoder har tagits fram under de senaste åren, utan avgörande för utvecklingen av Na-jonbatterier har också varit avgörande framsteg för andra komponenter, inte minst de kolbaserade anoderna. Här har också betydande framgångar gjorts gällande användningen av biomaterial, inte minst avfall från skogsindustrin, vilka kan karboniseras till effektiva anoder i Na-jonbatterier och utmana traditionella, fossilbaserade råmaterial. Genom att optimera porstorleken och ytarean i dessa material så har lagringskapaciteten kunnat pressats ordentligt uppåt, över 450 mAh/g (mer än grafit i Li-jonbatterier) [9] samtidigt som kostnaderna pressats nedåt. Hand i hand med detta har en utveckling av elektrolyter gjort att cykellivslängden hos anoderna, vilka fortfarande svarar för mycket av Na-jonbatteriernas åldrande, kunnat förlängas betydligt. Batterierna kan alltså laddas upp många fler gånger än av som var fallet för bara några år sedan.
Det finns också en tydlig trend om tilltagande forskningsfinansiering för natrium-jonbatterier, med satsningar i exempelvis Tyskland, Norge och Indien. Nyligen annonserade USA:s regering ett nytt program avseende 3,5 miljarder USD för att förstärka ”inhemsk batteritillverkning” där enligt pressreleasen ”DOE prioriterar nästa-generations teknologier och batterikemier, utöver Li-jon”[10]. Det är ett tecken på ytterligare tryck på natrium-jonbatterier också i USA. Ett nytt företag i USA letter av personer med bakgrund inom Tesla och Northvolt har också lanserat planer på produktion av natrium-jonbatterier i giga-skala [11].
Denna utveckling borde också leda till ett minskat tryck på materialen för Li-jonbatterier. Bloomberg har nyligen beräknat att utvecklingen av kommersiella natrium-jonbatterier kan minska efterfrågan på litium med 272 000 ton till år 2035 [12]. Samtidigt finns ett flertal utmaningar att jobba med. I likhet med Li-jonbatterier skulle fluorfria elektrolyter kunna bidra till bättre miljöprestanda. Återvinningsbarheten måste öka för att bli kompatibelt med EU:s regelverk för batterier, och kostnaderna för återvinning minskas. Samtliga komponenter i batteriet kan också förbättras, och deras samspel måste förstås mer ingående: elektrodmaterialet, elektrolyterna, bindemedel, separatorer, med mera. Här har tusentals ingenjörer polerat på Li-jonbatteriet under många decennier. För Na-jonbatterier har utvecklingen bara börjat.
Referenser
[1] https://northvolt.com/articles/northvolt-sodium-ion/
[2] https://www.altris.se/news/altris-reaches-new-milestone-with-160-wh-kg-battery-cell
[3] https://cnevpost.com/2023/11/20/byd-signs-deal-with-huaihai-to-build-sodium-battery-base/
[5] Batterier: CATLs satsningar på natriumjonbatterier. https://omev.se/2021/08/13/batterier-catls-satsningar-pa-natriumjonbatterier/
[6] Första teknikuppköpet i Haldor Topsoes historia: Natrium-jonbatterier. https://omev.se/2014/02/13/forsta-teknikuppkopet-i-haldor-topsoes-historia-natrium-jonbatterier/
[7] Batterier – vad har hänt de senaste 10 åren? https://omev.se/2023/05/12/batterier-vad-har-hant-de-senaste-10-aren/
[8] https://doi.org/10.1038/s41560-020-00748-8
[9] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302647