Litiumjonbatterierna dominerar marknaden utan några seriösa utmanare, men den intensiva energiomställningen kräver en bredare flora av batteritekniker. Det menar batteriexperten och kemiprofessorn Daniel Brandell som listar elva batteritekniker som det forskas på – och som kan komma att utmana litiumjonbatteriet.
För några veckor sedan meddelade det finska startupbolaget Donut Lab att de sitter på nyckeln till nästa batterirevolution. Bolaget hävdade att de lyckats göra det som de stora batterijättarna drömt om i över ett decennium: att utveckla ett äkta solid state-batteri.
Fastfasbatteriet, som tekniken heter på svenska, uppges redan vara redo för kommersiell produktion. Enligt bolaget ska batteriet kunna nå full laddning på fem minuter, hålla i 100 000 laddcykler – att jämföra med dagens genomsnittliga elbilsbatteri som klarar 1 000–5 000 cykler – och dessutom vara billigare och lättare än dagens litiumjonbatterier.
Att en liten uppstickare skulle ha lyckats pricka av hela önskelistan väckte irritation hos världens största batteritillverkare, CATL. Bolagets investeringschef Ulderico Ulissi beskrev nyheten som en vilseledande pr-kupp. Skepsisen delas av Uppsalaprofessorn Daniel Brandell, en av Sveriges ledande batteriexperter.
– Att ett företag i Finland, utan någon form av track record, skulle kunna slå Toyotas, CATL:s, LG Chems och Samsungs forskningsavdelningar – där tusentals personer har arbetat med exakt de här problemen i över tio år? Det kan ju inte gärna stämma, säger han.
Daniel Brandell menar att det finns många sätt att tänja på sanningen för att skapa rubriker. Ett exempel är att visa att ett batteri klarar 100 000 cykler genom mycket korta och ofullständiga laddningar snarare än fullständiga upp- och urladdningar. Men Daniel Brandell är härdad, Donut Lab är långt ifrån första uppstickaren som påstår sig ha knäckt koden för fastfasbatterier, säger han.
– Det handlar ofta om väldigt små företag utan historik som säger sig ha utvecklat helt nya typer av batterikemier. Det är ett sätt att locka både riskkapital och uppmärksamhet, med löften om nya fabriker och tusentals arbetstillfällen.
Litiumjon räcker inte
Utöver de små alkaliska batterier som håller liv i en tv-fjärrkontroll innan de kasseras, och de blybatterier som driver startmotorer till förbränningsmotorer, är det de uppladdningsbara litiumjonbatterierna som dominerar världen. Kombinationer av litium, kobolt, nickel och mangan driver majoriteten av dagens elbilar. I mobiltelefoner används ofta litium-koboltoxid, medan mer stationära system i hög grad bygger på litium-järnfosfat.
Men på batterijättarnas utvecklingsavdelningar och i universitetens laboratorier bubblar det i provrören. Framtiden är nära – men kanske inte så revolutionerande som många hoppas. Något plötsligt genombrott i form av ett superbatteri som är billigare, bättre och säkrare än litiumbatteriet lär inte komma, menar Daniel Brandell. Samtidigt är det avgörande att utveckla flera alternativ för att elektrifiera fordonsflottan och minska beroendet av fossila bränslen.
– Det är helt nödvändigt att elektrifieringen sker både snabbare och mer effektivt än i dag om vi ska nå klimatmålen. För att klara det måste vi ha väldigt mycket större batterivolymer, tillverkade på fler platser, säger han.
För att klara en omställning i den skalan räcker det inte heller med dagens råvarubas. Batteriproduktionen behöver bygga på fler material än de kritiska metaller som dominerar i dag.
– För att nå de här volymerna behöver vi titta bortom litiumjon, säger Daniel Brandell.
För att nå de här volymerna behöver vi titta bortom litiumjon.
I forskningslaboratorier världen över utvecklas nu ett tiotal alternativa batteritekniker. Några har redan nått tidiga kommersiella stadier, medan andra fortfarande befinner sig långt från marknaden.
– Vissa kemier är omogna, andra är relativt nära kommersialisering eller finns redan på marknaden. En del kommer att bli dyrare och mer högpresterande än litiumjon, medan andra aldrig når samma prestanda men kan i stället bli betydligt billigare och mer miljövänliga.
Dominerar marknaden
Litiumjonbatteriet är i dag den ohotade standarden – 85 procent av världens battericeller kommer från Kina.
Här en sprängskiss av en cylindrisk 4680-cell, formatet som blivit branschstandard för elbilar. Inuti höljet döljer sig elektrodrullen, batteriets hjärta: tunna lager av anod, separator och katod, hårt rullade kring en kärna.
Alternativ till litiumjonbatteriet:
Organiska batterier
Organiska batterier kan baseras på bioråvara och kan bli både billigare och mer miljövänliga än dagens litiumjonbatterier. Tekniken är fortfarande i ett relativt tidigt utvecklingsskede och det är osäkert när – eller om – de kommer vara aktuella för kommersialisering.
Litium-svavelbatterier
Litium-svavelbatterier ligger längre fram än organiska batterier i utvecklingen och kan bli mer miljövänliga och billigare än litiumjon.
Däremot lämpar de sig inte för vägfordon. De är mer brandkänsliga och kräver stor volym i förhållande till energiinnehållet. Den låga vikten gör dem däremot attraktiva för drönare och andra obemannade flygfarkoster.
Litium-luft
Med litium-luftbatterier hoppas forskare kunna uppnå väldigt hög energitäthet, alltså lagra mycket mer energi på samma volym än litiumjon. Eftersom det baseras på syre från luften kan också kostnaderna bli låga. Om och när litium-luft är redo skulle den kunna användas i bilar.
Batterierna är dock svåra att snabbladda och än så länge klarar de få laddningscykler och bygger på kemiska reaktioner som är svåra att kontrollera.
– Det har teoretiskt väldigt hög potential att vara både billigt och effektivt. Men tekniken är fruktansvärt svår att bemästra. Tidigare påstods det att den skulle vara klar till 2030, nu har vi nyktrat till och vågar inte säga någon tidpunkt.
Flödesbatterier
VFlödesbatterier används redan i dag för stationär energilagring, till exempel i stora sol- och vindkraftsparker. De är ofta lika stora som containrar och är inte avsedda för fordon. Fördelen är låga kostnader och lång livslängd.
Vattenbaserade batterier
Vattenbaserade batterier är fortfarande omogna och svåra att stabilisera. Det som forskare hoppas på är att de på sikt kan göra dem billigare och säkrare än litiumjon.
Dubbeljonbatterier
Dubbeljonbatterier bygger på att använda kolmaterial på både batteriets plus- och minuspol. Energitätheten är inte bättre än litiumjonbatterier, och livslängden är i dag fortfarande för låg. Tekniken har samtidigt tydliga kostnadsfördelar, eftersom den inte är beroende av de kritiska metaller som används i litiumjonbatterier.
Solid state/fastfasbatteri
I fastfasbatterier ersätts den flytande elektrolyten med ett fast material. Resultatet blir ett mindre brandfarligt batteri med högre energitäthet. Kostnaderna väntas bli höga, vilket begränsar användningen. Det kommer sannolikt bli betydligt dyrare än dagens fordonsbatterier och användas för vissa typer av fordon, tror Daniel Brandell.
– Det handlar mer om ett lyxsegment av batterier, för väldigt dyra fordon, militära tillämpningar och flyg- och rymdfarkoster.
Även om det finska startupföretaget inte lyckas infria löftet om ett perfekt fastfasbatteri redan nu så ligger tekniken trots allt nära kommersialisering, enligt Daniel Brandell. Men ingen har lyckats uppfylla alla önskningar, utan alla har sina för- och nackdelar. Vissa varianter finns redan på marknaden, men ingen har hittills lyckats göra ett fastfasbatteri som överträffar litiumjonbatterier i prestanda.
Magnesium, aluminium, kalcium och natrium
Det finns flera batterier under utveckling där litiumjon ersätts av magnesium, aluminium, kalcium eller natrium. Många av dessa alternativ är inte bättre än litiumjon, men billigare. Av dessa framstår natriumjonbatterier som mest lovande just nu. Enligt Daniel Brandell väntas tekniken kunna få en liknande prestanda som litiumjon, till lägre kostnad och med mindre miljöpåverkan och med mer hållbara resurser.
– Litium i sig är inte särskilt ovanligt globalt. Problemet är att Kina kontrollerar stora delar av leveranskedjan och i Europa finns det väldigt få kommersiella brytbara resurser. Natrium finns däremot nästan överallt – det är det som man gör vanligt koksalt av.
En seriös utmanare
Natriumjon kan användas från alltifrån stationär energilagring till bilbatterier. Det är svårt att nå exakt samma prestanda som i ett litiumbatteri, men tillräckligt för att passa billigare fordonssegment där kraven på räckvidd är lägre.
– De flesta bilresor går till och från jobbet. Det går alldeles utmärkt med natriumjonbatterier. Med natriumjonbatterier kommer du från Göteborg till Skåne på en laddning. Men de flesta köpare kräver i dag en körsträcka på 50 mil, vilket är lite för långt för natriumjon, säger Daniel Brandell.
Han ser natriumjon som en mer seriös utmanare än fastfasbatteriet. Batteritekniken finns redan och tillverkas bland annat i Sverige av bolaget Altris. Den stora utmaningen är skalan: produktionen är fortfarande för liten för att tekniken på allvar ska kunna konkurrera med litiumjon.
Flaskhalsarna
Samma problem möter alla batteritekniker som försöker utmana litiumjon. Infrastrukturen för den befintliga produktionen är redan etablerad, och trösklarna för nya alternativ är höga.
– Den stora flaskhalsen i dag är att Kina, och i viss mån även Sydkorea och Nordamerika, har dumpat priserna med statliga subventioner. Det gör att det är väldigt svårt för alternativa batterikemier att ta sig in.
För att andra batterier ska nå marknaden räcker det inte att låta nya tekniker konkurrera på lika villkor. Spelplanen är redan sned och för att alternativen ska få fäste krävs även statliga stöd, menar Daniel Brandell.
– Litiumjonbatterier är mycket bra, men de passar inte alla tillämpningar. Dessutom kommer det att uppstå brist på flera av de material som används. För att kunna elektrifiera allt vi vill elektrifiera behövs en bredare flora av batterikemier.
Följ taggar