Li-jonbatteriet idag och i framtiden

© Evertiq

Trenden med en ökad elektrifiering med litiumjonbatterier sprider sig till allt fler sektorer: verktyg, dammsugare, gräsklippare, skottkärror, modellflygplan, båtar, drönare, en mångfald av arbetsfordon och hydraulik ersätts alltmer med elektrifierade lösningar. Numera används litiumjonbatterier även till att ge kraft åt våra hybrid- och elektriska fordon av olika slag men tillgången på kobolt, som ingår i flera varianter av litiumjonbatterier, och den prisuppgång som skett på den metallen, har fått batteritillverkarna att titta på möjligheten att använda andra materialkombinationer och kemier. Även litium är en ändlig resurs och på sikt kanske vi måste hitta helt andra typer av batterier för morgondagens energilagring och här investeras det kraftigt i FoU världen över. Evertiq har träffat Lars Avellán, som under många år arbetat som industriforskare på Swerea IVF men som numera driver ett eget företag. Allmänt om Litiumjonbatteriet Men först lite allmänt om litiumjonbatteriernas kemier och dess olikheter och användningsområden. Det finns idag flera olika litiumbatterikemier och det är de ämnen som utgör katoden som främst skiljer ett litiumjonbatteri från ett annat. I nästan alla litiumjonbatterier där kobolt ingår i katodmaterialen består anoden av grafit. Vilka materialsammansättningar som används i katoden styrs av det användningsområde som batteriet är tänkt att ingå i och de egenskaper som är viktigast för just den produkten. Det kan handla om kostnad, säkerhetsaspekter, livslängd (antal laddcykler och kalendertid), termisk stabilitet, intern resistans, urladdningsström och mycket mera. För att underlätta och slippa skriva ut hela den kemiska formel som definierar ett batteri har branschen valt att ersätta till exempel litium-koboltoxid (LiCoO2) med beteckningen LCO, litium-mangan-oxid med LMO, litium-nickel-mangan-koboltoxid med NMC, litium-järn-fosfat med LFP, litium-nickel-kobolt-aluminium med NCA, litium-titanat-oxid med LTO och så vidare. LCO-batterier var historiskt den helt dominerande batterikemin och är populära att användas för mobiltelefoner, laptops och digitala kameror. Batteriet kännetecknas av en begränsad energitäthet men har på grund av prisnivån på kobolt fått konkurrens från de nyare NMC- och NCA-batterierna. LCO-batteriet har även relativt kort livslängd. Kemin är också terminkt instabil och kan orsaka bränder. LMO-batterier karaktäriseras av en låg intern cellresistans och klarar bland annat urladdningsströmmar på 20-30 A utan en allt för hög temperaturökning. LMO klarar också av en relativt hög strömstyrka vid snabbladdning men har en lägre kapacitet än LCO-batterier. Därför använder sig vissa fordonstillverkare av LMO-batterier för tillämpningar som kräver högre strömmar såsom vid acceleration, tillsammans med LCO-batterier för att erhålla en lång räckvidd. I NMC-batteriet ingår vanligtvis en kombination av en tredjedel nickel, en tredjedel mangan och en tredjedel kobolt men även andra fördelningar kan förekomma. Detta ger en unik blandning som också sänker råmaterialkostnaden på grund av minskat koboltinnehåll. NMC har goda generella prestanda och bra energidensitet och längre laddningsintervaller men har en något lägre cellspänning. NMC-batterier har låg självuppvärmningshastighet och användningsområdena hittas inom elverktyg, e-cyklar och andra drivlinor. Det skall också finnas varianter av batteriet där anoden är kiselbaserad för att uppnå vissa prestandafördelar utifrån tillämpning. NCA-batteriet delar snarlika egenskaper med NMC-batteriet. Skillnaden är att aluminium har tillkommit för att bland annat ge batteriet en bättre kemisk stabilitet. NCA-batteriet är även det en kandidat till att användas i hybrider och elbilar. På minussidan återfinns kostnader och säkerhetsaspekter. LFP-batteriet används idag till att ersätta blybatterier och på senare tid till elektriska båtmotorer. Batteriet har goda elektrokemiska egenskaper och låg intern resistans samt kan hålla full spänning under en längre tidsperiod än andra litiumjonbatterier men cellspänningen är lägre (3,2 V) än litiumkobolt-baserade batterier. Även energidensiteten (Wh/kg) är jämförelsevis låg. Batteriet är även säkrare än litiumkobolt-baserade batterier. I LTO-batteriet är det anoden som modifierats, från grafit till litiumtitanat, medan katoden kan vara densamma som hos NMC-batteriet. Av prestandan framgår att batteriet kan snabbladdas och att urladdningsströmmen är hög. Litiumtitanat är säkert och har bra temperaturprestanda vid låg temperatur samt behåller en kapacitet på 80 procent vid -30 °C. Cellspänningen är nominellt 2,4 V. På minussidan kan nämnas att energidensiteten är låg och priset högt. Framtidens batteri Det satsas enorma summor på batteriforskning världen över och vilken typ av batterier som kommer gå segrande ur den striden är omöjligt att veta. Enligt Lars Avellán är det ytterst få av dem som någonsin kommer ut på marknaden och då även litium är en ändlig resurs kommer nya lösningar att på sikt behövas. – Jag skulle tro att endast 1/10-del av dessa nya batterislag någonsin kommer att få chansen på marknaden och det inte förrän om sisådär 15-20 år. En intressant lösning att byta ut litiumet mot natrium som finns i oändliga mängder, säger Lars Avellán. Sådana batterier förekommer redan initialt på marknaden. – Natrium ligger nära litium i det periodiska systemet så ingenjörsutmaningen borde inte vara alltför stor. Men om ett skifte sker kommer det att bli första gången i historien som en batteriteknik med lägre energidensitet vinner över en med högre. Användningen av litium i batterier har också sina risker med så kallad termisk rusning och explosionsartade, svårsläckta bränder. – Att små konsumentelektronikprodukter försörjs med litiumjonbatterier kanske inte innebär en så stor risk för personskador. Men det blir obehagligt när batteriet väger upp till 700 kg såsom det kan göra i elektriska bilar. Med så stora batterier måste man även ta hänsyn till om det försvarbart med hänsyn till de ändliga råvarorna. Istället tror Lars Avellán mycket på en hybrid med både bränsleceller och batterier. – Elbilen är bra på att leverera ström vid kortare energitoppar medan bränslecellen kan leverera jämn energi. Alltså skulle en hybrid kunna fungera så att elmotorn används vid låga farter, vid acceleration och vid omkörningar medan bränslecellen tar hand om energiförsörjningen vid högre hastigheter och jämn fart, såsom på motorväg. Då kommer vi också bort ifrån begränsningen i bilens räckvidd på15-50 mil. Toyota, Honda och Hyundai har idag bränslecellsbilaroch många andra tillverkare är på gång men det finns inte någon nämnvärd infrastruktur i form av vätgasmackar. Det har uppstått en ”hönan-och-ägget”-situation där till exempel Toyota sagt att man inte avser leverera några vätgasbilar till den svenska marknaden om det inte finns 25 vätgasmackar i Sverige, medan de svenska infrastrukturaktörerna bara lurpassar på varandra. Ingen vill vara först med att starta en satsning på vätgasmackar. Kobolt en bristvara – När vi pratar om litium så finns det inte i obegränsade mängder men det råder dock ingen direkt brist på marknaden idag. Det begränsande i litiumkoboltbaserade batterier är numera kobolt, som till största delen kommer som en biprodukt vid utvinningen av koppar och zink. Det är alltså inte helt oproblematiskt att öka på produktionen av kobolt utan att samtidigt också öka brytningen av koppar och zink. Stoppar vi så in 700 kilo batterier i elbilar med en räckvidd på 50 mil, hur går det då med visionen om det cirkulära samhället? Evertiq har genom att leta på internet endast hittat en gruva som bryter kobolt som en primärprodukt och denna ligger i Marocko. Enligt SGU (Sveriges Geologiska Undersökning) ökar behovet av kobolt med cirka 7 procent varje år. Enligt myndigheten produceras det idag omkring 100 000 ton kobolt och med en ökning på 7 procent varje år så skulle det innebära att ungefär 40 000 ton extra behövs om 5 år. Tittar man sedan på nickel och koppar (som ofta är de primära produkterna vid brytning av kobolt som biprodukt) så ökar dessa med omkring 2-3 procent per år. Enligt SGU skapar detta ett problem när en ökad brytning inte kan motiveras. De primära produkterna skulle då komma ut i överflöd på marknaden. Enligt SGU finns det idag ganska få 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 efterfrågan vara större än produktionen - cirka 5000 ton för i år och ännu mer nästa år. Detta märks på priset, som stadigt gått uppåt under ett års tid. De närmaste 20 åren är enligt SGU svåra att sia om men troligen kommer trenden fortsätta med en efterfrågan som ökar snabbare än produktionen. Då huvuddelen av all kobolt produceras i DRC, ett land med hög politisk risk, så bedömer SGU att marknaden kan komma att svänga snabbt. Litiumjonbatterier i stationära tillämpningar När det kommer till stationära lösningar så är Lars Avellán skeptiskt till att okritiskt använda Litiumjonbatterier. Det handlar om stationära enheter för balansering av elnäten, för solceller och vindkraftverk och sekundsnabba justeringar av energitillgången i nätet. – Det finns andra tekniker som borde kunna användas här. Jag tycker det är synd att använda litiumjonbatterier med tanke på de begränsade tillgångarna. Tesla bygger gigantiskt litiumjonbatteri Men Teslas vd Elon Musk ser affärsmöjligheter även på området att stabilisera elnät som matas med förnybar energi. I sommar kom Tesla med nyheten att företaget, tillsammans med energibolaget Neoen, kommer bygga världens största litiumjonbatteri avsett för att stabilisera elnätet i Adelaide i södra Australien från en stor vindkraftspark som fullt utbyggd kommer att ha kapaciteten att leverera 300 megawatt. Batteriet, som skall kunna stabilisera elnätet 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 gånger större än dagens största, installerade Li-jonbatteri. Elon Musk och södra Australiens Premier Jay Weatherill meddelar beslutet om att bygga världens största litiumjonbatteri. Bild: © Andre Castlellucci / InDaily Northvolt Snart kommer det avslöjas var i Sverige det nya batteriföretaget Northvolt kommer lägga sin fabrik, Skellefteå eller Västerås? Den totala satsningen är beräknad till 40 miljarder kronor men anläggningen kan komma att byggas upp successivt i tillverkningsmoduler, där varje modul uppskattas kräva en finansiering på 6 miljarder kronor. Lars Avellán är lätt kritisk till satsningen. – Det är bra med visioner om en batterifabrik i Europa men sådana är redan på gång- dock asienägda men ändå, och det kanske är gott nog. Det blir nog svårt i början att kunna konkurrera med asiaterna som sedan gammalt har traditionerna och ”know-how” på området. Det finns nästan ingen batterifabrik idag som går med vinst, även om lönsamheten är på våg upp och frågan är hur mycket branschen ytterligare kan pressa kostnaderna. Återvinning Det som driver på branschen idag är återvinningen av kobolt. Det är det enda ämnet i batterier som uppvisar en vinst, bland annat på grund av den prisuppgång som skett på senare tid. Men lönsamheten beror också på vilken typ av batteri som återvinns. De LCO-batterier som används idag i konsumentelektronik innehåller mellan 20-25 viktprocent kobolt. NMC-batterier däremot innehåller endast runt 5-10 viktprocent kobolt och branschen fortsätter att leta efter nya sätt att minska andelen kobolt ytterligare. I det batteridirektiv som infördes 2009 är målsättningen är att minst 50 procent av batteriernas genomsnittsvikt återvinns (undantaget batterier som innehåller kvicksilver, bly och nickelkadmium där målen är högre ställda). Det uppfylls idag när det gäller kobolt och nickel. Vilken kommersiell återvinningsprocess man än använder idag tas inte litium tillvara utan hamnar istället som en slaggprodukt och används i vissa fall som en tillsats till betong. En av orsakerna till det är att litium ofta endast utgör 2-3 procent av batteriets vikt och att då separera litiumet ur de föreningar som ämnet är bundet till helt enkelt inte är lönsamt för tillfället.