Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© scanrail dreamstime.com Elektronikproduktion | 11 augusti 2017

Li-jonbatteriet idag och i framtiden

Litiumjonbatteriet har sedan flera Är varit en mycket populÀr energikÀlla för kraftförsörjning av dagens mobila elektronikprodukter och i takt med elektrifieringen av allt fler produkter ökar efterfrÄgan pÄ batterier och de material som ingÄr i dessa. Men vilka Àr trenderna?
© Evertiq
Trenden med en ökad elektrifiering med litiumjonbatterier sprider sig till allt fler sektorer: verktyg, dammsugare, grĂ€sklippare, skottkĂ€rror, modellflygplan, bĂ„tar, drönare, en mĂ„ngfald av arbetsfordon och hydraulik ersĂ€tts alltmer med elektrifierade lösningar. Numera anvĂ€nds litiumjonbatterier Ă€ven till att ge kraft Ă„t vĂ„ra hybrid- och elektriska fordon av olika slag men tillgĂ„ngen pĂ„ kobolt, som ingĂ„r i flera varianter av litiumjonbatterier, och den prisuppgĂ„ng som skett pĂ„ den metallen, har fĂ„tt batteritillverkarna att titta pĂ„ möjligheten att anvĂ€nda andra materialkombinationer och kemier. Även litium Ă€r en Ă€ndlig resurs och pĂ„ sikt kanske vi mĂ„ste hitta helt andra typer av batterier för morgondagens energilagring och hĂ€r investeras det kraftigt i FoU vĂ€rlden över. Evertiq har trĂ€ffat Lars AvellĂĄn, som under mĂ„nga Ă„r arbetat som industriforskare pĂ„ Swerea IVF men som numera driver ett eget företag.

AllmÀnt om Litiumjonbatteriet

Men först lite allmÀnt om litiumjonbatteriernas kemier och dess olikheter och anvÀndningsomrÄden.

Det finns idag flera olika litiumbatterikemier och det Àr de Àmnen som utgör katoden som frÀmst skiljer ett litiumjonbatteri frÄn ett annat. I nÀstan alla litiumjonbatterier dÀr kobolt ingÄr i katodmaterialen bestÄr anoden av grafit. Vilka materialsammansÀttningar som anvÀnds i katoden styrs av det anvÀndningsomrÄde som batteriet Àr tÀnkt att ingÄ i och de egenskaper som Àr viktigast för just den produkten. Det kan handla om kostnad, sÀkerhetsaspekter, livslÀngd (antal laddcykler och kalendertid), termisk stabilitet, intern resistans, urladdningsström och mycket mera.

För att underlÀtta och slippa skriva ut hela den kemiska formel som definierar ett batteri har branschen valt att ersÀtta till exempel litium-koboltoxid (LiCoO2) med beteckningen LCO, litium-mangan-oxid med LMO, litium-nickel-mangan-koboltoxid med NMC, litium-jÀrn-fosfat med LFP, litium-nickel-kobolt-aluminium med NCA, litium-titanat-oxid med LTO och sÄ vidare.

LCO-batterier var historiskt den helt dominerande batterikemin och Àr populÀra att anvÀndas för mobiltelefoner, laptops och digitala kameror. Batteriet kÀnnetecknas av en begrÀnsad energitÀthet men har pÄ grund av prisnivÄn pÄ kobolt fÄtt konkurrens frÄn de nyare NMC- och NCA-batterierna. LCO-batteriet har Àven relativt kort livslÀngd. Kemin Àr ocksÄ terminkt instabil och kan orsaka brÀnder.

LMO-batterier karaktÀriseras av en lÄg intern cellresistans och klarar bland annat urladdningsströmmar pÄ 20-30 A utan en allt för hög temperaturökning. LMO klarar ocksÄ av en relativt hög strömstyrka vid snabbladdning men har en lÀgre kapacitet Àn LCO-batterier. DÀrför anvÀnder sig vissa fordonstillverkare av LMO-batterier för tillÀmpningar som krÀver högre strömmar sÄsom vid acceleration, tillsammans med LCO-batterier för att erhÄlla en lÄng rÀckvidd.

I NMC-batteriet ingÄr vanligtvis en kombination av en tredjedel nickel, en tredjedel mangan och en tredjedel kobolt men Àven andra fördelningar kan förekomma. Detta ger en unik blandning som ocksÄ sÀnker rÄmaterialkostnaden pÄ grund av minskat koboltinnehÄll. NMC har goda generella prestanda och bra energidensitet och lÀngre laddningsintervaller men har en nÄgot lÀgre cellspÀnning. NMC-batterier har lÄg sjÀlvuppvÀrmningshastighet och anvÀndningsomrÄdena hittas inom elverktyg, e-cyklar och andra drivlinor. Det skall ocksÄ finnas varianter av batteriet dÀr anoden Àr kiselbaserad för att uppnÄ vissa prestandafördelar utifrÄn tillÀmpning.

NCA-batteriet delar snarlika egenskaper med NMC-batteriet. Skillnaden Àr att aluminium har tillkommit för att bland annat ge batteriet en bÀttre kemisk stabilitet. NCA-batteriet Àr Àven det en kandidat till att anvÀndas i hybrider och elbilar. PÄ minussidan Äterfinns kostnader och sÀkerhetsaspekter.

LFP-batteriet anvĂ€nds idag till att ersĂ€tta blybatterier och pĂ„ senare tid till elektriska bĂ„tmotorer. Batteriet har goda elektrokemiska egenskaper och lĂ„g intern resistans samt kan hĂ„lla full spĂ€nning under en lĂ€ngre tidsperiod Ă€n andra litiumjonbatterier men cellspĂ€nningen Ă€r lĂ€gre (3,2 V) Ă€n litiumkobolt-baserade batterier. Även energidensiteten (Wh/kg) Ă€r jĂ€mförelsevis lĂ„g. Batteriet Ă€r Ă€ven sĂ€krare Ă€n litiumkobolt-baserade batterier.

I LTO-batteriet Àr det anoden som modifierats, frÄn grafit till litiumtitanat, medan katoden kan vara densamma som hos NMC-batteriet. Av prestandan framgÄr att batteriet kan snabbladdas och att urladdningsströmmen Àr hög. Litiumtitanat Àr sÀkert och har bra temperaturprestanda vid lÄg temperatur samt behÄller en kapacitet pÄ 80 procent vid -30 °C. CellspÀnningen Àr nominellt 2,4 V. PÄ minussidan kan nÀmnas att energidensiteten Àr lÄg och priset högt.

Framtidens batteri

Det satsas enorma summor pÄ batteriforskning vÀrlden över och vilken typ av batterier som kommer gÄ segrande ur den striden Àr omöjligt att veta. Enligt Lars Avellån Àr det ytterst fÄ av dem som nÄgonsin kommer ut pÄ marknaden och dÄ Àven litium Àr en Àndlig resurs kommer nya lösningar att pÄ sikt behövas.

– Jag skulle tro att endast 1/10-del av dessa nya batterislag nĂ„gonsin kommer att fĂ„ chansen pĂ„ marknaden och det inte förrĂ€n om sisĂ„dĂ€r 15-20 Ă„r. En intressant lösning att byta ut litiumet mot natrium som finns i oĂ€ndliga mĂ€ngder, sĂ€ger Lars AvellĂĄn. SĂ„dana batterier förekommer redan initialt pĂ„ marknaden.

– Natrium ligger nĂ€ra litium i det periodiska systemet sĂ„ ingenjörsutmaningen borde inte vara alltför stor. Men om ett skifte sker kommer det att bli första gĂ„ngen i historien som en batteriteknik med lĂ€gre energidensitet vinner över en med högre.

AnvÀndningen av litium i batterier har ocksÄ sina risker med sÄ kallad termisk rusning och explosionsartade, svÄrslÀckta brÀnder.

– Att smĂ„ konsumentelektronikprodukter försörjs med litiumjonbatterier kanske inte innebĂ€r en sĂ„ stor risk för personskador. Men det blir obehagligt nĂ€r batteriet vĂ€ger upp till 700 kg sĂ„som det kan göra i elektriska bilar. Med sĂ„ stora batterier mĂ„ste man Ă€ven ta hĂ€nsyn till om det försvarbart med hĂ€nsyn till de Ă€ndliga rĂ„varorna.

IstÀllet tror Lars Avellån mycket pÄ en hybrid med bÄde brÀnsleceller och batterier.

– Elbilen Ă€r bra pĂ„ att leverera ström vid kortare energitoppar medan brĂ€nslecellen kan leverera jĂ€mn energi. AlltsĂ„ skulle en hybrid kunna fungera sĂ„ att elmotorn anvĂ€nds vid lĂ„ga farter, vid acceleration och vid omkörningar medan brĂ€nslecellen tar hand om energiförsörjningen vid högre hastigheter och jĂ€mn fart, sĂ„som pĂ„ motorvĂ€g. DĂ„ kommer vi ocksĂ„ bort ifrĂ„n begrĂ€nsningen i bilens rĂ€ckvidd pĂ„15-50 mil.

Toyota, Honda och Hyundai har idag brĂ€nslecellsbilaroch mĂ„nga andra tillverkare Ă€r pĂ„ gĂ„ng men det finns inte nĂ„gon nĂ€mnvĂ€rd infrastruktur i form av vĂ€tgasmackar. Det har uppstĂ„tt en ”hönan-och-Ă€gget”-situation dĂ€r till exempel Toyota sagt att man inte avser leverera nĂ„gra vĂ€tgasbilar till den svenska marknaden om det inte finns 25 vĂ€tgasmackar i Sverige, medan de svenska infrastrukturaktörerna bara lurpassar pĂ„ varandra. Ingen vill vara först med att starta en satsning pĂ„ vĂ€tgasmackar.

Kobolt en bristvara

– NĂ€r vi pratar om litium sĂ„ finns det inte i obegrĂ€nsade mĂ€ngder men det rĂ„der dock ingen direkt brist pĂ„ marknaden idag. Det begrĂ€nsande i litiumkoboltbaserade batterier Ă€r numera kobolt, som till största delen kommer som en biprodukt vid utvinningen av koppar och zink. Det Ă€r alltsĂ„ inte helt oproblematiskt att öka pĂ„ produktionen av kobolt utan att samtidigt ocksĂ„ öka brytningen av koppar och zink. Stoppar vi sĂ„ in 700 kilo batterier i elbilar med en rĂ€ckvidd pĂ„ 50 mil, hur gĂ„r det dĂ„ med visionen om det cirkulĂ€ra samhĂ€llet?

Evertiq har genom att leta pÄ internet endast hittat en gruva som bryter kobolt som en primÀrprodukt och denna ligger i Marocko. Enligt SGU (Sveriges Geologiska Undersökning) ökar behovet av kobolt med cirka 7 procent varje Är. Enligt myndigheten produceras det idag omkring 100 000 ton kobolt och med en ökning pÄ 7 procent varje Är sÄ skulle det innebÀra att ungefÀr 40 000 ton extra behövs om 5 Är. Tittar man sedan pÄ nickel och koppar (som ofta Àr de primÀra produkterna vid brytning av kobolt som biprodukt) sÄ ökar dessa med omkring 2-3 procent per Är. Enligt SGU skapar detta ett problem nÀr en ökad brytning inte kan motiveras. De primÀra produkterna skulle dÄ komma ut i överflöd pÄ marknaden.

Enligt SGU finns det idag ganska fÄ utvecklingsprojekt för ökad produktion av kobolt. Det finns ett par större projekt i Democratic Republic of the Congo (DRC) som möjligen kan komma att öppna 2019. Tills dess kommer troligen efterfrÄgan vara större Àn produktionen - cirka 5000 ton för i Är och Ànnu mer nÀsta Är. Detta mÀrks pÄ priset, som stadigt gÄtt uppÄt under ett Ärs tid. De nÀrmaste 20 Ären Àr enligt SGU svÄra att sia om men troligen kommer trenden fortsÀtta med en efterfrÄgan som ökar snabbare Àn produktionen. DÄ huvuddelen av all kobolt produceras i DRC, ett land med hög politisk risk, sÄ bedömer SGU att marknaden kan komma att svÀnga snabbt.

Litiumjonbatterier i stationÀra tillÀmpningar

NÀr det kommer till stationÀra lösningar sÄ Àr Lars Avellån skeptiskt till att okritiskt anvÀnda Litiumjonbatterier. Det handlar om stationÀra enheter för balansering av elnÀten, för solceller och vindkraftverk och sekundsnabba justeringar av energitillgÄngen i nÀtet.

– Det finns andra tekniker som borde kunna anvĂ€ndas hĂ€r. Jag tycker det Ă€r synd att anvĂ€nda litiumjonbatterier med tanke pĂ„ de begrĂ€nsade tillgĂ„ngarna.

Tesla bygger gigantiskt litiumjonbatteri

Men Teslas vd Elon Musk ser affÀrsmöjligheter Àven pÄ omrÄdet att stabilisera elnÀt som matas med förnybar energi. I sommar kom Tesla med nyheten att företaget, tillsammans med energibolaget Neoen, kommer bygga vÀrldens största litiumjonbatteri avsett för att stabilisera elnÀtet i Adelaide i södra Australien frÄn en stor vindkraftspark som fullt utbyggd kommer att ha kapaciteten att leverera 300 megawatt. Batteriet, som skall kunna stabilisera elnÀtet i upp till 100 dagar för den elproduktion som vindkraftverket producerar under en första uppbyggnadsfas, kommer att ha kapaciteten 100 MW/129 MWh och bli tre gÄnger större Àn dagens största, installerade Li-jonbatteri.


Elon Musk och södra Australiens Premier Jay Weatherill meddelar beslutet om att bygga vÀrldens största litiumjonbatteri. Bild: © Andre Castlellucci / InDaily

Northvolt

Snart kommer det avslöjas var i Sverige det nya batteriföretaget Northvolt kommer lÀgga sin fabrik, SkellefteÄ eller VÀsterÄs? Den totala satsningen Àr berÀknad till 40 miljarder kronor men anlÀggningen kan komma att byggas upp successivt i tillverkningsmoduler, dÀr varje modul uppskattas krÀva en finansiering pÄ 6 miljarder kronor. Lars Avellån Àr lÀtt kritisk till satsningen.

– Det Ă€r bra med visioner om en batterifabrik i Europa men sĂ„dana Ă€r redan pĂ„ gĂ„ng- dock asienĂ€gda men Ă€ndĂ„, och det kanske Ă€r gott nog. Det blir nog svĂ„rt i början att kunna konkurrera med asiaterna som sedan gammalt har traditionerna och ”know-how” pĂ„ omrĂ„det.

Det finns nÀstan ingen batterifabrik idag som gÄr med vinst, Àven om lönsamheten Àr pÄ vÄg upp och frÄgan Àr hur mycket branschen ytterligare kan pressa kostnaderna.

Återvinning

Det som driver pÄ branschen idag Àr Ätervinningen av kobolt. Det Àr det enda Àmnet i batterier som uppvisar en vinst, bland annat pÄ grund av den prisuppgÄng som skett pÄ senare tid. Men lönsamheten beror ocksÄ pÄ vilken typ av batteri som Ätervinns. De LCO-batterier som anvÀnds idag i konsumentelektronik innehÄller mellan 20-25 viktprocent kobolt. NMC-batterier dÀremot innehÄller endast runt 5-10 viktprocent kobolt och branschen fortsÀtter att leta efter nya sÀtt att minska andelen kobolt ytterligare.

I det batteridirektiv som infördes 2009 Àr mÄlsÀttningen Àr att minst 50 procent av batteriernas genomsnittsvikt Ätervinns (undantaget batterier som innehÄller kvicksilver, bly och nickelkadmium dÀr mÄlen Àr högre stÀllda). Det uppfylls idag nÀr det gÀller kobolt och nickel. Vilken kommersiell Ätervinningsprocess man Àn anvÀnder idag tas inte litium tillvara utan hamnar istÀllet som en slaggprodukt och anvÀnds i vissa fall som en tillsats till betong. En av orsakerna till det Àr att litium ofta endast utgör 2-3 procent av batteriets vikt och att dÄ separera litiumet ur de föreningar som Àmnet Àr bundet till helt enkelt inte Àr lönsamt för tillfÀllet.
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2018-12-13 13:08 V11.10.14-1