Djävulen i detaljerna: om Stanfords prognos angående Na-batterier

av Daniel Brandell och Reza Younesi

I januari i år presenterade en gruppering av forskare på Stanford i USA en studie i Nature Energy [1] som fått rätt mycket uppmärksamhet i batterikretsar, i synnerhet bland de som intresserar sig för natrium-jonbatterier. Som studien har tolkats i nyhetsmedia så reser forskarna en rad varningsflaggor för Na-jonteknologin, vilken i ljuset av det stora internationella prisfallet på Li-jonbatterier under 2024 inte längre framstår som lika löftesrik som tidigare utropats. Med tanke på det allmänt tveksamma investeringsklimatet kring batterier är detta så klart hett stoff för teknik- och ekonominyheter.

Som vi tidigare skrivit om i detta nyhetsbrev [2] så har natrium-jonteknologin gått från klarhet till klarhet under de senaste 5-10 åren. Batterierna har utvecklats snabbare än beräknat (i skarp kontrast till fastfasbatterierna), och det finns idag flera tungviktare inom både cell- och fordonsindustrin med fullt fokus på Na-jon. Kommersiella produkter för flera olika cellformat existerar redan. Framför allt är det cykellivslängden som förbättrats avsevärt de senaste åren.

Som bekant utlovar Na-jonbatterier inte högre prestanda än Li-jonbatterier. Istället konkurrerar dessa med lägre kostnad och bättre miljömässig hållbarhet. Detta främst av två skäl: koppar (som behövs i Li-jonbatterier som strömtilldelare till anoden) kan ersättas med aluminium, och sedan kan litium självt ersättas med natrium. Därutöver kan Na-jonbatterier (vissa varianter av dem) göras utan mer exotiska övergångsmetaller, som t ex kobolt och nickel, men en hel del Li-jonbatterier klarar sig faktiskt också utan dessa. Vad som i detta sammanhang blir den stora utmanaren är då inte de nickel-rika NMC-batterierna, där prestandan är som högst, utan istället LFP (LiFePO4, litiumjärnfosfat, vilket är katodmaterialet i dessa batterier). Till skillnad från NMC innehåller LFP inte heller något av de dyrbara metallerna nickel eller kobolt, utan baserar sig på billigt och rikligt förekommande järn. LFP-batterierna innehåller förvisso fortfarande litium och koppar – och dessutom fosfat, vilket seglar upp som en ny strategisk resurskomponent – men är å andra sidan en mycket robust batterikemi som är industriellt väletablerad sedan decennier. Kina har sedan länge dominerat tillverkningen av LFP-batterierna, och det är med de ökade produktionsvolymerna därifrån som skalfördelarna nu verkligen börjar göra sig gällande. Därav det nuvarande prisraset. LFP är billigt och pålitligt, och inte beroende av de mest kritiska metallerna.

Tanken på att det är svårt att för Na-jonbatterier att på allvar konkurrera med Li-jonbatterier, vilka har skalfördelar som drar ned cellkostnaden och dessutom något högre energitäthet än de flesta Na-jon, är inte ny. Utmaningarna för att etablera alternativ till dessa är välkända [3]. Så, det är inte något väsentligt nytt som Stanford-studien presenterar. Man skall dessutom hålla i minnet att det på lång sikt kommer behöva plats för en bredare flora batteritekniker än bara Li-jon. Materialen riskerar annars att bli alltför kritiska, oligopolliknande situationer kan uppstå, och flaskhalsar i leverantörsled och produktion. Det är också lätt att se behovet av mer miljövänliga batterier. Frågan är dock om prisraset för LFP-celler på kort sikt hotar den embryoniska Na-jonbatteriindustrin, då deras produkter med dagens marknadsläge blir mindre konkurrenskraftiga. Det är i detta sammanhang som Stanford-studien skall förstås – den blir högaktuell just för att marknaden är i gungning.

Mot bakgrund av detta är det viktigt att förstå en del tillkortakommande i Stanford-gruppens studie. Som ofta när det gäller livscykelanalysstudier gömmer sig djävulen i detaljerna: resultaten bygger på jämförelser som haltar lite, och dessutom hade systemgränserna för studien, dvs vad som inkluderas och inte inkluderas i analysen, gått att dra annorlunda. Med andra gränsdragningar hade man kunnat få ett annat resultat, där Na-jonbatterier framstår som än starkare konkurrenter. Till exempel innehåller studien inte de löftesrika katodmaterialen som baseras på s k ”Preussiskt vitt”, och som bolag som svenska Altris utvecklar. Istället är de högpresenterande katodmaterialen i studien (i termer av energitäthet) NaNi0.33Mnx(M)0.67−xO2, där M är dopningsämnen som magnesium eller titan. Dessa har liknande energitäthet som Preussiskt vitt, men blir uppenbart dyrare pga dopningsämnena samt nickel. I Stanford-studien har man förvisso också tagit med ett lågkostnadsalternativ i form av det nickelfria materialet Na4Fe3(PO4)2(P2O7) (NFPP). Detta har dock avsevärt lägre energitäthet än Preussiskt vitt, vilket självklart påverkar hur väl det går att jämföra med LFP.

Därutöver finns ett antal fördelar med Na-jonbatterier som man lagt utanför systemgränserna för studien, och vilka därmed bortses från. Till exempel kan Na-jonbatterier till skillnad från Li-jonbatterier transporteras vid 0% SoC, detta eftersom de har aluminium vid båda elektroderna. Man undviker därmed problem med så kallad överurladdning, vilket i Li-jonbatterier kan uppstå genom utlösning av kopparjoner och deponering av dessa på katoden [4]. Denna fördel för Na-jonbatterier erbjuder mycket mer säkra transporter av batterierna från tillverkaren, vilket också borde påverka kostnaderna. Samma fenomen kan också erbjuda potentiellt enklare – och därmed billigare – BMS. Artikelförfattarna från Stanford är förvisso mycket tydliga med denna begränsning, men det verkar inte ha avspeglat sig i den efterföljande nyhetsrapporteringen.

Dessa tillkortakommanden till trots skall det sägas att studien är välgjord, och inte alls lika skeptiskt hållen till Na-jonbatterier som media verkar ha fått uppfattningen om. Man är förvisso försiktigt skeptisk till de Na-jonbatterier som bygger på dyra övergångsmetaller, men inte de som förlitar sig på järnbaserade katoder. Artikeln pekar ut ett antal hinder för Na-jonbatterier att bli på allvar konkurrenskraftiga gentemot LFP-celler före år 2030, men är också tydlig med att Na-jonbatterier har en ljus framtid på längre sikt – och att forskning och investeringar i tekniken fortsatt är eftersträvansvärda.

Referenser

[1] A. Yao, Critically assessing sodium-ion technology roadmaps and scenarios for techno-economic competitiveness against lithium-ion batteries, Nature Energy, 2025. DOI: 10.1038/s41560-024-01701-9.

[2] D. Brandell, R. Younsei, Det våras för natrium, omEV, 5 December 2023. Länk

[3] A. Innocenti et al., Cost and performance analysis as a valuable tool for battery material research, Nature Review Materials, 2024. DOI: 10.1038/s41578-024-00657-2

[4] A. Rudola et al., Reviewing the Safe Shipping of Lithium-Ion and Sodium-Ion Cells: A Materials Chemistry Perspective, Energy Materials Advances, 2021. DOI: 10.34133/2021/9798460