Litiumione-batteriet ga nobelpris: Slik kan man doble kapasiteten i dagens batterier

I denne artikkelen tar vi en kikk på hvordan kapasiteten i batterier kunne blitt doblet fra dagens nivå. (Bilde: Illustrasjon)
For å doble kapasiteten i et litiumionebatteri må det være færre atomer som ikke er litiumioner «i arbeid». I tillegg må spenningen opp. Ny kjemi med nye metallatomer på katodesiden gir både høyere spenning og kan tillate litt flere litiumioner å vandre over til katodesiden når batteriet produserer strøm. På anodesiden jobbes det med å erstatte grafitt med silisium. Klarer de det vil anoden kunne bli mye mindre, og fremdeles motta like mye litium som dagens karbonbaserte. Utfordringen er mekanisk ved at anoden utvider seg mye når litiumet vandrer inn i den. (Bilde: Illustrasjon)

Artikkelen er oppdatert oktober/november 2019.

Litiumione-batterier

  • Prinsippet for litiumionebatterier har utviklet seg lite siden de ble oppfunnet på 1980-tallet og kom på markedet på 1990-tallet.
  • De radikale forbedringene kommer først og fremst fra produksjonsvolumene og det påfølgende prisfallet.
  • Prisene faller fortløpende. Det gjør at batteriteknologien kommer inn i nye markeder som nettavlastende, eller helt nettfrie hjemmebatterier.
  • Kapasiteten har økt litt, delvis på grunn av at spenningen er økt, men overraskende lite.
  • Den viktigste tekniske endingen har vært batteriets evne til å lades mange ganger. Den har beveget seg fra noen titalls ganger til noen tusen ganger og forbedres fortsatt.  
  • NMC-teknologien begynte med den såkalte 3-3-3-utgaven; tre nikkelatomer, tre manganatomer og tre koboltatomer. Så kom den som er vanlig i dag; 6-2-2, det vil si seks nikkelatomer, to manganatomer og to koboltatomer. Den det jobbes med nå er 8-1-1, som reduserer bruken av kontroversielt og kostbart kobolt.

 

Rekkeviddeangst skiver seg fra mengden elektrisk energi det er mulig å lagre i et batteri. I dag er det litiumionebatterier som er den dominerende teknologien, men oppbygging av nesten alle batterier følger det samme prinsippet uansett teknologi.

Det betyr at det først og fremst er tre måter å dytte mer elektrisk energi inn i batteriet. Man må forbedre anoden, katoden og elektrolytten som skiller de to.

Vekt og pris

Sammenliknet med en bil med forbrenningsmotor veier energilageret gjerne ti ganger så mye. Men en slik sammenlikning blir aldri rettferdig siden vekten av forbrenningsmotor, girboks, dynamo eksosanlegg og annet er mye tyngre enn en elektromotor. Dessuten utnytter elektromotoren drivstoffet ekstremt mye bedre enn en forbrenningsmotor.

Likevel har elbiler og andre batteriopererte ting behov for tettere lagring. Vi trenger en dobling eller mer av energitettheten, men også et fortsatt prisfall. Det er først og fremst det kontinuerlige prisfallet som har gjort batteriet så attraktivt, enten det sitter i en bil eller brukes til å lagre strøm fra fornybare kilder.

Dessverre består det meste av vekten i et batteri av annet enn litiumet som bærer ladningen frem og tilbake. Det er oksygen, metall, karbon, elektrolytt, separator, innkapsling, styring, kjøling, strømledere, osv. Selv om det er gode muligheter til å få ned anodevekten, er det mye igjen som ikke lar seg fjerne.

Mer robust, og mer kapasitet i katoden

En av de siste gode nyhetene fra batterifronten er Tesla og Panasonics bygget på samarbeidet med Jeff Dahn. Det handler om å gjøre batteriet mer robust og som en konsekvens få litt mer energi inn i batteriet. To fluer i en smekk altså. Det han har fått til er kjemi som beskytter katodematerialene, men også additiver i elektrolytten som gjøre den mer robust. De såkalte NMC-cellene, som Tesla benytter, er begrenset i hvor mye litium som kan inngå i prosessen fordi oksygenet som finnes i katoden, i tillegg til litium, mangan og kobolt, kan skape problemer.

Den nye beskyttelsen gjør at man kan heve spenningen litt og aktivere litt mer litium. Resultatet er et batteri med kanskje 5 prosent mer kapasitet som kan lades langt flere ganger. Dette er bilbatterier hvor kapasitet per krone og antall ladesykler er viktig.

Katode for tung tjeneste

En annen utvikling på katodesiden er innen jernfosfatbatterier. De brukes der det trengs mange ladesykler og høy sikkerhet. Teknologi er utbredt i busser, ferger og andre anvendelser. Nå har forskere lykkes med å bygge inn mangan i jernfosfatet. Det gjør at slike katoder kan få nesten like høy spenning som kjemien som brukes i personbiler, og de beholder levetiden som er mye høyere. En fordel med denne teknologien er at den hverken bruker nikkel eller kobolt.

Ulempen er at den er vanskelig å lage fordi teknologien krever nanostørrelse på materialer. Men dette ser nå ut til å være løst.

Vandring og stabilisering

Når en litiumionecelle avgir strøm skjer det ved at litiumatomer i form av positive ioner vandrer fra karbonet i den negative anoden via elektrolytten til katoden, hvor de fester seg i metalloksidet.

Samtidig går de negative elektronene som litiumet avgir for å bli positive, som ikke får bli med i elektrolytten, i en ytre strømkrets hvor de gjør jobben, for så å møte ionene igjen i katoden. Når batteriet lades opp igjen, vandrer litiumionene og elektronene samme vei i motsatt retning.

Det er litium vi vil ha mest mulig av. Alle de andre materialene er bare der for å understøtte vandringen av litium mellom anoden og katoden. Litiumionene trenger andre materialer for å holdes på plass både på anode- og katodesiden.

Les også

Batteriet

Når man snakker om batteriet i en elbil er det mange faktorer som inngår. Det er mye elektronikk, ledningsføring, innkapsling osv. som kommer i tillegg til selve cellene som batteriet er bygget opp av.

Men det er cellene som er gjenstand for mesteparten av forskningen og utviklingen. Det er nye battericeller som kunne utløst de virkelig store gevinstene.

Et eksempel er Nissan Leaf, som nylig laserte et oppgradert batteri. Det veier ørlite mer enn det forrige, men energiinnholdet har økt fra 24 til 30 kWh. Det har skjedd gjennom å bytte til en annen kjemi inne i cellene.

Batterivekten er oppgitt til 318 kilo, som gjør at det trengs 10,6 kg for å lagre en kWh. Vekten av selve cellene er sannsynligvis ned mot halvparten av totalvekten.

En battericelle består av tre sentrale komponenter i tillegg til ledningsføringen. Det er de to elektrodene, anoden, katoden og skillet mellom dem, elektrolytten. For å doble kapasiteten trengs det forbedringer i alle sammen.

Det er noe industrien jobber hardt med, men de holder kortene tett til brystet. Bosch har sagt offentlig at de både skal doble energiinnholdet og halvere kostnadene for litiumionebatterier innen 2020. Hvordan de, og andre, skal gjøre det kan vi spekulere på.

Bilde: Illustrasjon

Anoden

I dag brukes karbon i anoden i tillegg til litium. Karbonet utgjør en stor del av vekten. Kan man klare seg med mindre uten at det går ut over oppførselen til litiumatomene, vil man kunne lagre mer strøm per vektenhet.

Et problem med litiumionebatterier er at det dannes litiumkrystaller når litiumionene beveger seg mellom anoden og katoden, gjennom elektrolytten og separatoren. Slike krystaller kan ta form som spisse nåler kalt dendritter, som kan ødelegge polymerseparatoren og ødelegge elektrodene.

Det kan kortslutte batteriet. I faststoffelektrolytt er elektrolytten både elektrolytt og separator. Med flytende elektrolytt må du ha en separator i tillegg.

Det ideelle anodematerialet er rent litium metall. Det går lett gjennom elektrolytten som ioner, men problemet er når det kommer tilbake. Da setter det seg på nærmeste litium metalloverflate, og da er faren for dannelse av dendrittiske krystaller veldig stor.

Maxcell har ved hjelp av prelitiering klart å dytte mer litium inn i anoden uten at den belastet katoden som ellers ville ha skjedd. Det kan ha stor betydning for kapasiteten, kanskje så mye som 30 prosent i batterier på sikt.

Ulempen er at batteriet blir mer kostbart. Litiumoksyd er ikke så dyrt, men litiumet er lett. Det trengs derfor mange kilo litiumoksid for å få et kilo litium.  Derfor blir det dyrt per atom og de må det mange til av.

Anodefremskritt

Til nå har grafitt vært det dominerende anodematerialet og litiumtitanat valget for de sikre, robuste, men dyre, batteriene.

Nå har Toshiba annonsert at de har klart å blande inn niob i stedet for noe av titanet. Det gjør anoden dyrere, men den får høyere spenning uten at det går ut over levetiden.

En annen utvikling er å erstatte grafitt med silisium. Det er ikke noe nytt, men det er vanskelig. Derfor har man gått veien om SiO. Oksidet er mer stabilt enn rent Si og det gir høyere kapasitet når det blandes inn i grafitten. Likevel er Si det som virkelig kan gjøre vei i kapasitetsvellingen. Alternativet til Si er faktisk rent Litium metall, men det er nok enda vanskeligere enn Si på grunn av de såkalte dendrittene. Det er Li-nåler som vokser ut og kan punkterer separatoren når batteriene brukes.

Maxwell, som er kjøpt av Tesla, er et annet selskap med liknende navn, og som har fått til en ny prosess som kan gjøre batterifremstillingen litt billigere.I en karbonblanding er faren for slik vill krystallvekst med litium redusert, men særlig ved lav temperatur kan det fortsatt være et problem.

I fremtiden vil metallisk litium kunne bli viktig for å øke batterikapasiteten mer enn en dobling. Bosch ser for seg dette som en del av sin løsning, men det vil stille svært store krav til elektrolyttens evne til å beskytte mot dendrittdannelse.

Kanskje det å skifte ut karbon med silisium er den mest spennende utviklingen fremover. Nå trengs det seks karbonatomer for å holde på plass et litiumatom. Med silisium klarer man seg med ett atom per fire Li-atomer og det vil redusere batterivekten betydelig.

Utfordringen med silisium er mekanisk. Når det tar opp litium sveller det ut og sprekker opp. Derfor utvikles nå mange nye ideer til nanostrukturer av silisium. De er så små at de kan ta imot litiumatomer uten at de sprekker.

Katoden

Katoden bestemmer spenningen i batteriet, og her er det en del å hente. Kan den økes fra i underkant av 4 volt i dag til nærmere 5, selv med dagens batterikjemi, er man kommet et stykke på vei.

Kunsten er å komme dit uten å bruke for mange atomer slik at vekten øker. Her har man ikke de samme mulighetene som på anodesiden.

Det trengs stort sett minst to oksygenatomer og et metallatom (kobolt, jern, nikkel, mangan, eller et annet) for å holde på ett Li-atom i katoden. Oksygenet sørger for spenningen, mens metallet skal holde på oksygenet når litiumet går til anoden.

Det er også viktig at strukturen er stabil når batteriet lades og utlades, slik at det ikke utvikles gass. Såkalte Li-luftbatterier vil klare seg uten metallet og trenger dermed også mindre oksygen.

Men selv om muligheten er forlokkende er det svært vanskelig å holde styr på oksygenet. Svovel kan erstatte oksygen, og er et fast stoff, men gir lavere spenning og en helt ny serie problemer.

Les også

Elektrolytten

I dag brukes våte elektrolytter og en polymerbasert membran som skille mellom elektrodene. Her arbeides det med faste elektrolytter som både leder ioner og som kan fungere som membraner. Slike elektrolytter kan bli mer stabile og mer trygge enn de våte vi har i dag.

Utfordringen er at slike faste elektrolytter trenger å vare gjennom hele batteriets levetid. Men i et miljø hvor det rister, og hvor den må snakke med lavt og høyt potensial på hver side, og i alle temperaturer og forhold.

Dessuten har de dårligere ion-ledningsevne enn dagens, men fordi de kan gjøres mye tynnere trenger de ikke gi mer motstand enn våte membraner. De er imidlertid vanskeligere å få til å virke ved lave temperaturer.

Det å få bedre kontroll med elektrolytten er viktig for sikkerheten i batteriet, som igjen vil gjøre det mulig å bytte ut materialer i katoden slik at spenningen kan økes.

Toyota har ikke akkurat vært noen racer på batteridrevne elbiler, men de jobber med saken. Nærmere bestemt med et nytt batteri med en sulfidbasert fast elektrolytt. Det i seg selv er ingen kapasitetsrevolusjon, men et slikt batteri vil tåle mye høyere temperatur fordi elektrolytten ikke står i fare for å fordampe. Det betyr at det kan lades mye heftigere, avgi mer effekt og det er lettere å kjøle. Det er lettere og raskere å kjøle et stort temperaturdifferensial enn et lite.

Selv om batteriet ikke er mer effektivt på cellenivå kan det derfor være mye bedre på modulnivå.

Panasonic har hatt et tett samarbeid med Tesla, men Tesla gjør også sine egne ting. Så Panasonic og Toyota samarbeider nå om mer tradisjonelle batterier i den samme klassen. Toyota har med andre ord tro på sulfidene, men vil gjerne ha tilgang til et mer tradisjonelt batteri også.

Ledere

De interne lederne i batteriene betyr også mye for vekten. I dag benyttes kobberledere. Kan man skifte til aluminium vil det ha en svært gunstig effekt på både pris og kWh/kg.

Men om prisen er at man må øke anodespenningen, og dermed redusere batterispenningen, er det ikke sikkert det er verdt det.

Skifte alt

En eller annen kombinasjon av alt dette kan gjøre det realistisk å doble ladetettheten i løpet av noen år, eller tiår, men derfra er det tøffere. Litium-luft har av mange vært en slags hellig gral, men det er svært usikkert om man klarer å lage slike batterier som er stabile over tid.

Uansett må hele verdikjeden sannsynligvis byttes ut ved en dramatisk teknologiomlegging, som må til om man skal mer enn doble.

Problemet med det er at da må man begynne langt tilbake i den svært gunstige prisutviklingen som litiumionebatterier har hatt gjennom mange år. Selv om kWh/kg er viktig er kWh/krone viktigere.

Kilde: Teknologisjef i Cenate, Martin Kirkengen 

Kommentarer (23)

Kommentarer (23)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå