– De som venter på faststoff-batterier, må vente lenge

Bilmerker som BMW, Honda og Toyota ønsker alle å være først ute med faststoffbatterier, som det er knyttet store forventninger til. Batteriene skal være mer brannsikre og ha langt høyere energitetthet enn dagens litiumionbatterier.

I så fall blir det plass til mer batterikapasitet i bilene, og dermed kan vi sannsynligvis vinke farvel til rekkeviddeangsten. Samtidig begynner det å bli mange år siden siden Toyota meldte at de ville lansere biler med faststoffbatterier i 2022.

– Så hva skjer – hvorfor kommer det ikke biler med disse batteriene snart?

– Det er utfordringer med design av grensesnitt mellom ulike komponenter inne i batteriene, så de er fremdeles vanskelig å sette i produksjon, sier Simon Clark til TU.

Clark er seniorforsker ved Sintefs avdeling for bærekraftig energiteknologi. Han tror faststoff-entusiastene må belage seg på mange års ventetid.

– De som venter på faststoff-batterier, må vente lenge. Minst til 2030, konstaterer Clark.

I mellomtiden tror han det er andre batteriteknologier som vil ta over elbilmarkedet.

For lite litium

Selv om Clark forsker på elektrokjemi og batteridesign, hender det at han løfter blikket og ser på de store utviklingstrekkene i batteri-industrien. Han er en av forfatterne av analysen (trekk pusten) «A Roadmap for Transforming Research to Invent the Batteries of the Future Designed within the European Large Scale Research Initiative Battery 2030+», som ble publisert i 2022.

– Det som er sikkert, er at vi må finne alternativer til dagens litium-ionbatterier. Det er ikke nok litium til å møte den økende etterspørselen etter batterier, fastslår Clark.

Det samme gjelder grunnstoffene kobolt, mangan og nikkel, som inngår i mange batterier. I tillegg til elektrifisering av ulike typer kjøretøy vil batterier bli etterspurt som reservekraft, som støtte i elektrisk infrastruktur og i mobiler og annet elektronisk utstyr.

– Det er viktig å påpeke at det ikke bare finnes én type litiumbatteri. Det er flere alternativer som kan gjøre oss uavhengig av kobolt, for eksempel, bemerker Clark.

– Mye hype

Amerikaneren mener det er vel mye opphaussing av nye batteriteknologier om dagen. Forkortelser for nye grunnstoff-kombinasjoner dukker opp til stadighet.

– Det er så mye hype nå. Det kan virke som forskere blir presset til å fremstille det de holder på med som banebrytende uansett hvilket stadium de befinner seg på. Jeg tror vi bør ta et skritt tilbake og dempe forventningene til en del av løsningene som blir annonsert, sier Clark.

De teknologiene han har mest tro på i nærmeste fremtid, er to gamle kjenninger: LFP og Na-ion.

LFP tar over markedet

Den mest åpenbare fordelen med litium-jernfosfat (LFP), som også er et Li-ionbatteri, er at det ikke inneholder kobolt. I tillegg er det en billig, trygg og velprøvd løsning med lang levetid. Anodematerialet består av grafitt. Det er ikke enn ubegrenset ressurs, men det er funnet flere nye forekomster av grafitt, blant annet i Nord-Norge. I tillegg er det mulig å bruke syntetisk grafitt, som norske Vianode produserer.

Bruken av LFP-batterier i elbiler gjordet et byks fra 28 prosent i 2021 til 40 prosent i 2023. Det internasjonale energibyrået (IEA) estimerer at LFP vil bli å finne i 60 til 70 prosent av alle biler som ruller ut fra verdens fabrikker de neste årene.

– Hvorfor skjer dette først nå hvis teknologien har vært kjent lenge?

– Den viktigste grunnen er at en rekke patenter på LFP utløp i 2022, så nå er det fritt fram for flere å bruke denne løsningen. I tillegg er celleteknologien forbedret. Energitettheten er blitt høyere, forklarer Clark.

Norske jernfosfatbatterier

Han understreker at LFP likevel ikke kan måle seg med vanlig Li-ion og andre mer energitette batterisammensetninger, som NCA (nikkel-kobolt- aluminiumoksid), NMC (litium-nikkel-mangan-koboltoksid) og LNMO (litium-nikkel-manganoksid). Mens cellene i LFP-batterier har spenning på 3,6 volt, er cellespenningen i de andre 4,2–4,8 volt.

– Men LFP gjør jobben. I veldig mange tilfeller er de gode nok, mener Clark.

LFP en én av batteriteknologiene som skal produseres av Morrow i Arendal. De andre er NMC og LNMO, som er mer energitette, men mindre stabile enn LFP.

Planen for den norske batterifabrikken Elinor Batteries i Trøndelag er å produsere LFP-batterier til stasjonære applikasjoner.

Natriumion-batterier

Det nester store som kommer, ifølge Clark, er natriumionbatterier (Na-ion – sodium batteries på engelsk).

Disse battericellene har mye til felles med Li-ion, men med natrium som ladningsbærer. Og natrium finnes det mye av. Beregninger viser at jordskorpa inneholder tusen ganger mer natrium enn litium.

Det borger for lavere pris.

Ladehastigheten til natriumionbatterier er også lovende. 15 minutter skal være nok til å lade batteriet til 80 prosent.

Ulempen er energitettheten. Den ligger enda et hakk lavere enn i LFP-batterier. Det betyr at batteriene må være større og tyngre for å oppnå samme ytelse som Li-ion-batterier.

Ikke desto mindre satser det kinesiske bilmerket Byd stort på natrium. Selskapet har investert 15 milliarder kroner i en natriumion-fabrikk i Xuzhou øst i Kina.

– Både Na-ion og LFP er utviklet i USA og Europa. Men per i dag har Kina over 90 prosent av produksjonskapasiteten, kommenterer Clark – uten å gå dypere inn på de globale konkurranseforholdene.

Faststoffbatterier: Fortsatt tidlig

Faststoffbatterier er lenge blitt omtalt som det endelige gjennombruddet for elektrifiseringen av bilparken. Det ruller fremdeles over én milliard fossildrevne personbiler rundt om i verden.

Navnet faststoff (solid state) viser til elektrolytten, hvor ionene overføres mellom katode og anode. Den er vanligvis geleaktig eller flytende i elbilbatterier. Med fast elektrolytt vil man kunne separere ioner mer effektivt, noe som vil gi batteriene økt sikkerhet og betraktelig høyere ytelse.

– Den største fordelen med faststoff-elektrolytter er at de kan fungere som barrierer mot litium-dendritter, som er årsaken til de fleste batteribranner. Det åpner igjen for bruk av litium-metall som elektrodemateriale. Det gir betydelig høyere energitetthet enn grafitt, forklarer Clark.

En av utfordringene har vært at litium er et ekstremt reaktivt metall. En dråpe vann er nok til å fremkalle en eksplosjon.

Det er imidlertid flere utfordringer som gjenstår å løse før faststoffbatterier blir en realitet på elbilmarkedet. Ifølge Clark er teknologiens modenhet (TRL-range) midt på treet.

– Faststoffbatterier er fortsatt på prototypestadiet. Det er vanskelig å lage gode grensesnitt slik at teknologien kan integreres og skaleres, forklarer han.

Vanadium

Ettersom det råder klondykestemning i batteri-industrien om dagen, er det ikke mulig å komme inn på alle teknologiene i en artikkel som denne. Sintef forsker for eksempel på en kombinasjon av litium og silisium, som har lovende potensial på grunn av silisium-molekylenes gode muligheter for mottak av litium.

Foreløpig gjenstår det imidlertid å løse enkelte fysiske utfordringer for denne kombinasjonen.

– Hvis du fortsetter å fylle silisium med litium, vil det til slutt begynne å poppe som popkorn, sier Clark.

Ifølge Clark er strømningsbatterier (redox flow) en annen velkjent teknologi som nå kan få en ny vår. I korthet går den ut på at kjemiske komponenter oppløst i væsker pumpes gjennom systemet på hver sin side av en membran.

Disse batteriene, som ofte er basert på vanadium, er blitt billigere og mer energieffektive, mye takket være bedre membraner. De har dessuten svært god holdbarhet.

Problemet er at de er store.

– De egner seg best som stasjonære batterier, for eksempel til nettverksstøtte, sier Clark.

Han understreker at vanadium kan være vanskelig å hanskes med, og at prisen varierer med tilgjengeligheten.

– Derfor er det utviklet redox flow-batterier basert på sink, som er enklere å ha med å gjøre, opplyser han.

Metall-luft-batterier

Til slutt nevner forskeren flervalente ionbatterier og metall-luft-batterier som to av teknologiene han har mest tro på.

– Begge har game-changer-potensial, men det er ennå en lang vei å gå før dette er modne teknologier, sier Clark.

Metall-luft-batterier bruker oksygen fra omgivelsene til å produsere elektrisitet. Dermed trenger ikke oksygen å lagres i batteriet.

Disse batteriene har vesentlig høyere teoretisk energitetthet enn dagens kommersielle Li-ion batterier. Men de har vist seg vanskelig å lade.

– Det pågår lovende forsøk med sink. Før vi fikk Li-ionbatterier, var faktisk sink-luft-batterier den foretrukne teknologien for elbiler, opplyser Clark.

Han synes det er ironisk at det er så mange gamle teknologier som er i ferd med å gjøre comeback.

– Det siste nye på forskningsfronten er fint for å skape overskrifter, men i dag er det de mer jordnære, kjente løsningene som finner veien ut på markedet, sier Clark.