Bättre elbilsbatterier på gång: 70 procent högre energitäthet

Premium Batteriforskaren om solid state-tekniken – då kommer den.

Bättre elbilsbatterier på gång: 70 procent högre energitäthet
Batterierna är en av de absolut viktigaste komponenterna i en elbil. Även om batteritekniken varit känd i flera århundraden pågår ständigt en jakt efter nya kvanthopp – som ska ge längre räckvidd och lägre elbilspriser. Här går vi igenom hur tekniken funkar och hur den närmaste framtiden ser ut.

Världen är sällan rättvis mot de som uträttar stordåd. Det hade en viss Johann Wilhelm Ritter kunnat skriva under på. Apotekaren och fysikern dog utfattig, bara 33 år gammal, år 1810.

Bara några år innan sitt snöpliga slut hade Ritter byggt världens första uppladdningsbara batteri, en elektrokemisk cell med 50 kopparskivor åtskilda av pappskivor dränkta i koksaltlösning i ett glasrör. 

Dagens hypermoderna batterier som tjänstgör i elbilarna, fungerar fortfarande efter samma princip: Den elektriska energin lagras kemiskt och avges återigen som elektrisk energi. Vid omvandlingen från elektrisk till kemisk energi och tillbaka förlorar man en del termisk energi enligt termodynamiken.

Batteriets funktion är därmed helt och hållet beroende av metallens elektronegativitet, eller enklare uttryckt dess förmåga att avge elektroner.

Men vad kan vi egentligen förvänta oss av elbilsbatterierna under de närmaste åren? Det går vi igenom i den här artikeln.

Du får lära dig:

Tekniken bakom elbilsbatterierna.

Energitäthet – batteri jämfört med andra bränslen.

Så mycket kommer energitätheten öka de närmaste åren.

Batterityperna som har mest potential.

Solid state-batterier – då kan de börja serieproduceras.

Alternativ till kobolt och litium i batterierna.

Mest lämpat för batterier är litium, som räknas som världens mest elektronegativa metall och som dessutom är periodsystemets tredje lättaste ämne efter väte och helium. Litiumatomer delar mer än gärna med sig av en av sina tre elektroner, vilket gör metallen särskilt lämpad för batterier.

Tyvärr finns det en del nackdelar med litium. Exempelvis dess fallenhet för att binda till sig andra atomer och molekyler. Därför måste litium skyddas från kontakt med luft och vatten vilket medför mer vikt.

En annan nackdel: Visserligen finns litium i överflöd i naturen, men i så pass låg koncentration att det endast är ett fåtal orter på jorden som är lönsamma för utvinning. Ändå koncentrerar man den största delen av batteriforskningen på just litiumjonceller.


Energitäthet

Det största problemet för batteritekniken är fortfarande energitätheten (MJ/kg). Både bensin och naturgas överträffar batteriernas energitäthet med råge. Redan med 4 till 5 MJ/kg hade ett batteripaket varit mycket vardagsdugligt för elbilarna, men än så länge är vi ljusår därifrån.

Hur fungerar dessa batterier? Förenklat uttryckt avger litiumatomer sina överskottselektroner till anoden vid urladdning. Elektronerna strömmar via ledaren till katoden, alltså den positiva elektroden. Laddar man batteriet omvänds processen och elektronerna strömmar genom elektrolyten och separatorn tillbaka till anoden. I verkligheten är processen naturligtvis betydligt mer komplicerad, men vi antar att ingen vill läsa en ingående artikel om kolinterkalationsbindningar. 

Redan på sjuttiotalet utvecklades ett litiumjonbatteri i München, som dock inte hade någon praktisk användning. Inte förrän vid intåget av ny och energitörstande underhållningsteknik samt mobiltelefoni i våra liv i mitten av 80-talet kom det moderna batteriet på tal. Numera hittas lagringsmediet i allt vi använder och håller kärt. Även i elbilarna. 

Ett vanligt problem som alla batterityper dras med är energitätheten som visserligen har förbättrats med hjälp av litiumjontekniken, men knappast revolutionerats. Det stora kvanthoppet återstår fortfarande. Grafiken här intill visar hur stor skillnaden är och hur pass små framsteg som har gjorts inom batteriforskningen den senaste tiden.

Det schweiziska företaget Nanoflowcell gäller som förkämpe för flödescellsteknologin. Batteriets energi genereras genom en kemisk reaktion med en speciell elektrolytvätska som lagras i bilens jättelika bränsletankar.

Annorlunda uttryckt: ett kilogram diesel (förenklat en liter drivmedel plus delen av tanken och bränslesystemet) genererar i dagens supersnåla bilar en räckvidd på cirka två mil, medan ett litiumjonbatteri med en vikt på ett kilogram endast genererar en kilometers räckvidd. Knappast imponerande.

Även om experterna tror att det fortfarande finns rum för förbättringar av litiumjonbatteriet, är det dock ingen som förväntar sig en revolution. Dessutom är räckvidden i allra högsta grad temperaturberoende: Ju kallare systemet blir, desto mindre energi alstras. Effekten påverkar inte bara de moderna batterierna utan även de gammalmodiga blysyrastartbatterierna i grannens trötta minivan. 

Litiumpolymerbatterier är litiumjonceller vars elektrolytvätska är utbytt mot ett polymergel och som kan byggas i valfri form. Dessutom är energidensiteten högre än i konventionella litiumjonbatterier, men det kostar: Batterierna kräver en komplex laddnings- och temperaturstyrning eftersom batteritypen är självantändbar. Ett problem som drabbat både Samsung och Tesla.

Inga perfekta celler

Dessutom dras alla batterityper med ytterligare ett problem, som kanske inte spelar någon större roll för bilisterna men däremot i flygtrafiken.

Medan det flytande drivmedlet förbränns och avges i gasform och därmed lättar förbränningsmotorbilen eller flygplanet, förblir dock batteripaketets vikt konstant. Detsamma gäller även för polymerbatterierna.

Däremot lovar forskarna andra fördelar genom tekniken, trots att cellkemin fortfarande är densamma. Cellens elektroder och elektrolytskiktet trycks mikrometertunt på folie, vilket gör tillverkningsprocessen både komplicerad och dyr.

Fisker anser sig vara världsledande med sin studie Emotion.

För att inte tala om de dyra och problemtyngda grundämnena litium och kobolt, även om man sedan en tid tillbaka forskar kring alternativa ämnen som kan ersätta dessa. Utöver de här problemen kvarstår även en del frågetecken kring exempelvis vidhäftningsförmågan hos de olika skikten och förstoringen av den aktiva ytan mellan elektrod och elektrolyt.

Trots allt satsar allt fler biltillverkare på forskningsarbete kring polymertekniken, även om det fortfarande är oklart om vi någonsin kommer att se batteritypen i en produktionsbil.

Battericeller av solid state-typ är mycket kompakta och energitäta, men hittills bara i labbet.

Detsamma gäller i än högre grad för batterier av redox- och flödescelltyp. Dessa används redan industriellt för energilagring i till exempelvis vindkraftverk. Flödescelltekniken innebär att man istället för en statisk elektrolyt använder sig av en pump för att leda elektrolytvätskan förbi anoden och katoden. Elektroderna avskärmas från varandra med hjälp av ett jonpermeabelt membran.

Företaget Nanoflowcell använder sig av en modifierad flödescell för mobila lösningar som deras prototyp Quant. Deras lösning går ut på att elektrolytvätskan istället förångas och de kvarvarande salterna filtreras. Här måste man alltså regelbundet tanka ny elektrolytvätska. Visserligen har vi sett en del prototyper från företaget, men ett säkert bevis för tillförlitlig och långvarig funktion av tekniken fattas ännu. 

Det perfekta batteriet verkar alltså fortfarande, efter mer än 200 års forskning, vara utom räckhåll. Låt oss hoppas att nästa steg i batteriutvecklingen inte ligger ytterligare 200 år in i framtiden.


Så är litiumjonbatteriet uppbyggt

Dagens litiumjonbatterier utgör den bästa kompromissen mellan energitäthet, livslängd, säkerhet och kostnad.


Vem bygger vad – med vem?

Den asiatiska dominansen på batterimarknaden är obestridbar och nästan utom räckvidd för konkurrensen. Vi skapar oss en överblick över Asiens "big players", kunderna och allianserna. 

Byd och CATL från Kina och Panasonic, LG Chem och Samsung – gemensamt för alla är att de räknas som världens största batteriproducenter och samtidigt drar i land det ena uppdraget efter det andra.

Senast säkrade Daimler ett asiatiskt kontrakt för battericeller för 20 miljarder euro. Med ombord är CATL som för tillfället bygger en 240-miljoner-euro-Gigafactory i den tyska delstaten Thüringen och som kommer att leverera battericeller till BMW till ett värde av fyra miljarder euro. 

Även Samsung samarbetar med den bayerska storproducenten. Volkswagen satsar på Samsung, LG Chem och CATL och har dessutom ingått ett samarbete med SK Innovation.

Anledningen är att behovet av battericeller är näst intill omättligt. Fram till 2025 behöver VW-koncernen en sammanlagd batterikapacitet på minst 150 GWh – årligen. Som jämförelse siktar Tesla och samarbetspartnern Panasonic i Nevadas största batterifabrik på en årlig batterikapacitet på 35 GWh. 

Småpotatis jämfört med Volkswagens behov. Lika intressant är de aktuella allianserna som ingåtts mellan tillverkarna. Exempelvis investerar Renault, Nissan och Mitsubishi gemensamt i smarta startupbolag som Ionic Materials, medan Volkswagen samtidigt pumpar in 100 miljoner euro i det USA-baserade företaget Quantumscape. 

Även Mazda, Toyota och Denso har ingått en forskningsallians. Det gemensamma målet för alla: det mytomspunna solid state-batteriet.

 

"Litiumjonbatteriet förblir vår spjutspetsteknologi för tillfället"

Martin Winter, chef för Batteriforskningscentrum vid universitetet i Münster

• Vilka framsteg kan vi förvänta oss inom de kommande tio åren när det gäller batteriernas energitäthet?

"Fram till 2025 förväntar vi oss en ökning av energitätheten på mellan 50 till 70 procent vid bibehållen storlek. Det innebär att nutida bilars räckvidd på 350 kilometer kan ökas till 500 kilometer i framtiden."

• Vilka batterityper kommer framtida elbilar utrustas med, och vilka typer har mest potential?

"Räckviddsökningen är möjlig med framtida litiumjonbatterier. Teknologin är redan väldefinierad. Efter 2025 tror vi på olika lösningar, som högspännings-litiumjonsystem samt litiummetallbatterier. Dessa celltyper finns dock än så länge endast i labbet."

Kommer vi någonsin få se solid state-celler i storskalig produktion?

"Inom de kommande fem åren kommer vi ha samlat tillräckligt mycket information för att kunna besvara din fråga bättre. Idag är litiummetallelektroden mest intressant, även om en serieproduktion inte är att vänta förrän tidigast 2025."

• Batteriproduktionen är till stor del beroende av kobolt och litium. Finns det några alternativ?

"Kobolt är ett kritiskt ämne. Vi jobbar för att minska andelen kobolt dramatiskt. Bland annat forskas det för fullt på manganrika material som ett alternativ, dock förblir kobolt oumbärligt. Litium å andra sidan är inte lika sällsynt, men utmaningen här blir att snabbt få till en storskalig produktion. Ett dyrare alternativ är natriumjonceller samt magnesiumbatterier."

Eltekniken i Porsche Taycan

1. Elmotorer både på fram- och bakaxeln med en sammanlagd systemeffekt på minst 440 kW (590 hk). Vridmomentet ligger på astronomiska 1.000 Nm.

2. I bilens golv hittar vi 400 seriekopplade battericeller med en total kapacitet på cirka 90 kWh. Observera "hålen" mellan batterimodulerna, så kallade fotgarage för att kunna minimera bilens höjd.

3. Taycans systemspänning är på hela 800 volt. De tömda batterierna kan därmed laddas till 80 procent av sin kapacitet på endast 15 minuter.