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. AllmĂ€nt om Litiumjonbatteriet Men först lite allmĂ€nt om litiumjonbatteriernas kemier och dess olikheter och anvĂ€ndningsomrĂ„den. Det finns idag flera olika litiumbatterikemier och det Ă€r de Ă€mnen som utgör katoden som frĂ€mst skiljer ett litiumjonbatteri frĂ„n ett annat. I nĂ€stan alla litiumjonbatterier dĂ€r kobolt ingĂ„r i katodmaterialen bestĂ„r anoden av grafit. Vilka materialsammansĂ€ttningar som anvĂ€nds i katoden styrs av det anvĂ€ndningsomrĂ„de som batteriet Ă€r tĂ€nkt att ingĂ„ i och de egenskaper som Ă€r viktigast för just den produkten. Det kan handla om kostnad, sĂ€kerhetsaspekter, livslĂ€ngd (antal laddcykler och kalendertid), termisk stabilitet, intern resistans, urladdningsström och mycket mera. För att underlĂ€tta och slippa skriva ut hela den kemiska formel som definierar ett batteri har branschen valt att ersĂ€tta till exempel litium-koboltoxid (LiCoO2) med beteckningen LCO, litium-mangan-oxid med LMO, litium-nickel-mangan-koboltoxid med NMC, litium-jĂ€rn-fosfat med LFP, litium-nickel-kobolt-aluminium med NCA, litium-titanat-oxid med LTO och sĂ„ vidare. LCO-batterier var historiskt den helt dominerande batterikemin och Ă€r populĂ€ra att anvĂ€ndas för mobiltelefoner, laptops och digitala kameror. Batteriet kĂ€nnetecknas av en begrĂ€nsad energitĂ€thet men har pĂ„ grund av prisnivĂ„n pĂ„ kobolt fĂ„tt konkurrens frĂ„n de nyare NMC- och NCA-batterierna. LCO-batteriet har Ă€ven relativt kort livslĂ€ngd. Kemin Ă€r ocksĂ„ terminkt instabil och kan orsaka brĂ€nder. LMO-batterier karaktĂ€riseras av en lĂ„g intern cellresistans och klarar bland annat urladdningsströmmar pĂ„ 20-30 A utan en allt för hög temperaturökning. LMO klarar ocksĂ„ av en relativt hög strömstyrka vid snabbladdning men har en lĂ€gre kapacitet Ă€n LCO-batterier. DĂ€rför anvĂ€nder sig vissa fordonstillverkare av LMO-batterier för tillĂ€mpningar som krĂ€ver högre strömmar sĂ„som vid acceleration, tillsammans med LCO-batterier för att erhĂ„lla en lĂ„ng rĂ€ckvidd. I NMC-batteriet ingĂ„r vanligtvis en kombination av en tredjedel nickel, en tredjedel mangan och en tredjedel kobolt men Ă€ven andra fördelningar kan förekomma. Detta ger en unik blandning som ocksĂ„ sĂ€nker rĂ„materialkostnaden pĂ„ grund av minskat koboltinnehĂ„ll. NMC har goda generella prestanda och bra energidensitet och lĂ€ngre laddningsintervaller men har en nĂ„got lĂ€gre cellspĂ€nning. NMC-batterier har lĂ„g sjĂ€lvuppvĂ€rmningshastighet och anvĂ€ndningsomrĂ„dena hittas inom elverktyg, e-cyklar och andra drivlinor. Det skall ocksĂ„ finnas varianter av batteriet dĂ€r anoden Ă€r kiselbaserad för att uppnĂ„ vissa prestandafördelar utifrĂ„n tillĂ€mpning. NCA-batteriet delar snarlika egenskaper med NMC-batteriet. Skillnaden Ă€r att aluminium har tillkommit för att bland annat ge batteriet en bĂ€ttre kemisk stabilitet. NCA-batteriet Ă€r Ă€ven det en kandidat till att anvĂ€ndas i hybrider och elbilar. PĂ„ minussidan Ă„terfinns kostnader och sĂ€kerhetsaspekter. 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 Ă€r det anoden som modifierats, frĂ„n grafit till litiumtitanat, medan katoden kan vara densamma som hos NMC-batteriet. Av prestandan framgĂ„r att batteriet kan snabbladdas och att urladdningsströmmen Ă€r hög. Litiumtitanat Ă€r sĂ€kert och har bra temperaturprestanda vid lĂ„g temperatur samt behĂ„ller en kapacitet pĂ„ 80 procent vid -30 °C. CellspĂ€nningen Ă€r nominellt 2,4 V. PĂ„ minussidan kan nĂ€mnas att energidensiteten Ă€r lĂ„g och priset högt. Framtidens batteri Det satsas enorma summor pĂ„ batteriforskning vĂ€rlden över och vilken typ av batterier som kommer gĂ„ segrande ur den striden Ă€r omöjligt att veta. Enligt Lars AvellĂĄn Ă€r det ytterst fĂ„ av dem som nĂ„gonsin kommer ut pĂ„ marknaden och dĂ„ Ă€ven litium Ă€r en Ă€ndlig resurs kommer nya lösningar att pĂ„ 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. AnvĂ€ndningen av litium i batterier har ocksĂ„ sina risker med sĂ„ kallad termisk rusning och explosionsartade, svĂ„rslĂ€ckta brĂ€nder. – 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. IstĂ€llet tror Lars AvellĂĄn mycket pĂ„ en hybrid med bĂ„de brĂ€nsleceller 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 pĂ„ internet endast hittat en gruva som bryter kobolt som en primĂ€rprodukt och denna ligger i Marocko. Enligt SGU (Sveriges Geologiska Undersökning) ökar behovet av kobolt med cirka 7 procent varje Ă„r. Enligt myndigheten produceras det idag omkring 100 000 ton kobolt och med en ökning pĂ„ 7 procent varje Ă„r sĂ„ skulle det innebĂ€ra att ungefĂ€r 40 000 ton extra behövs om 5 Ă„r. Tittar man sedan pĂ„ nickel och koppar (som ofta Ă€r de primĂ€ra produkterna vid brytning av kobolt som biprodukt) sĂ„ ökar dessa med omkring 2-3 procent per Ă„r. Enligt SGU skapar detta ett problem nĂ€r en ökad brytning inte kan motiveras. De primĂ€ra produkterna skulle dĂ„ komma ut i överflöd pĂ„ marknaden. Enligt SGU finns det idag ganska fĂ„ 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 efterfrĂ„gan vara större Ă€n produktionen - cirka 5000 ton för i Ă„r och Ă€nnu mer nĂ€sta Ă„r. Detta mĂ€rks pĂ„ priset, som stadigt gĂ„tt uppĂ„t under ett Ă„rs tid. De nĂ€rmaste 20 Ă„ren Ă€r enligt SGU svĂ„ra att sia om men troligen kommer trenden fortsĂ€tta med en efterfrĂ„gan som ökar snabbare Ă€n produktionen. DĂ„ huvuddelen av all kobolt produceras i DRC, ett land med hög politisk risk, sĂ„ bedömer SGU att marknaden kan komma att svĂ€nga snabbt. Litiumjonbatterier i stationĂ€ra tillĂ€mpningar NĂ€r det kommer till stationĂ€ra lösningar sĂ„ Ă€r Lars AvellĂĄn skeptiskt till att okritiskt anvĂ€nda Litiumjonbatterier. Det handlar om stationĂ€ra enheter för balansering av elnĂ€ten, för solceller och vindkraftverk och sekundsnabba justeringar av energitillgĂ„ngen i nĂ€tet. – 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 affĂ€rsmöjligheter Ă€ven pĂ„ omrĂ„det att stabilisera elnĂ€t som matas med förnybar energi. I sommar kom Tesla med nyheten att företaget, tillsammans med energibolaget Neoen, kommer bygga vĂ€rldens största litiumjonbatteri avsett för att stabilisera elnĂ€tet i Adelaide i södra Australien frĂ„n en stor vindkraftspark som fullt utbyggd kommer att ha kapaciteten att leverera 300 megawatt. Batteriet, som skall kunna stabilisera elnĂ€tet 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 gĂ„nger större Ă€n dagens största, installerade Li-jonbatteri. Elon Musk och södra Australiens Premier Jay Weatherill meddelar beslutet om att bygga vĂ€rldens största litiumjonbatteri. Bild: © Andre Castlellucci / InDaily Northvolt Snart kommer det avslöjas var i Sverige det nya batteriföretaget Northvolt kommer lĂ€gga sin fabrik, SkellefteĂ„ eller VĂ€sterĂ„s? Den totala satsningen Ă€r berĂ€knad till 40 miljarder kronor men anlĂ€ggningen kan komma att byggas upp successivt i tillverkningsmoduler, dĂ€r varje modul uppskattas krĂ€va en finansiering pĂ„ 6 miljarder kronor. Lars AvellĂĄn Ă€r lĂ€tt 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 nĂ€stan ingen batterifabrik idag som gĂ„r med vinst, Ă€ven om lönsamheten Ă€r pĂ„ vĂ„g upp och frĂ„gan Ă€r hur mycket branschen ytterligare kan pressa kostnaderna. Återvinning Det som driver pĂ„ branschen idag Ă€r Ă„tervinningen av kobolt. Det Ă€r det enda Ă€mnet i batterier som uppvisar en vinst, bland annat pĂ„ grund av den prisuppgĂ„ng som skett pĂ„ senare tid. Men lönsamheten beror ocksĂ„ pĂ„ vilken typ av batteri som Ă„tervinns. De LCO-batterier som anvĂ€nds idag i konsumentelektronik innehĂ„ller mellan 20-25 viktprocent kobolt. NMC-batterier dĂ€remot innehĂ„ller endast runt 5-10 viktprocent kobolt och branschen fortsĂ€tter att leta efter nya sĂ€tt att minska andelen kobolt ytterligare. I det batteridirektiv som infördes 2009 Ă€r mĂ„lsĂ€ttningen Ă€r att minst 50 procent av batteriernas genomsnittsvikt Ă„tervinns (undantaget batterier som innehĂ„ller kvicksilver, bly och nickelkadmium dĂ€r mĂ„len Ă€r högre stĂ€llda). Det uppfylls idag nĂ€r det gĂ€ller kobolt och nickel. Vilken kommersiell Ă„tervinningsprocess man Ă€n anvĂ€nder idag tas inte litium tillvara utan hamnar istĂ€llet som en slaggprodukt och anvĂ€nds i vissa fall som en tillsats till betong. En av orsakerna till det Ă€r att litium ofta endast utgör 2-3 procent av batteriets vikt och att dĂ„ separera litiumet ur de föreningar som Ă€mnet Ă€r bundet till helt enkelt inte Ă€r lönsamt för tillfĂ€llet.
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-02-15 09:57 V12.1.1-1