I dag er 500 km rækkevidde noget nær det maksimale for de elbiler, man kan købe. Men om kort tid vil det være gennemsnittet. De kommer også til at oplades hurtigere. Meget hurtigere. Om fem-ti år kan du få 400 km rækkevidde med bare fem minutters opladning! Men det kræver ny batteriteknologi.
Verden har voldsomt brug for batterier
Efterhånden som flere og flere ting bliver elektriske – ikke mindst vores biler – stilles der enorme krav til produktion af batterier. Både mængden af producerede batterier og øget kapacitet på celleniveau. Hvis alle skal køre elbil, er det vigtigt, at de kan køre længere og oplader hurtigere for færre penge. Det fremtvinger nye løsninger og teknologier.
I dag er der litium-ion-batterier (li-ion) i næsten alting. Det er pålidelige batterier, der nedbrydes/degraderer meget lidt over tid sammenlignet med ældre teknologier. Men teknologien, som blev lanceret i begyndelsen af 1990’erne, begynder at være oppe i årene, og der er behov for noget bedre.
F.eks. er anoden – minusdelen af batteriet – en flaskehals, der indeholder langt færre litium-ioner, end katoden teoretisk set kan klare. Og da ingen konstruktion er stærkere end sit svageste led, er det anoden, der bestemmer kapaciteten på hele batteriet.
Elbiler stiller krav
Det er elektriske køretøjer, der for alvor vil sætte fart i batterirevolutionen. Mens forbrugerelektronik i 2020 brugte omkring 40 gigawatt-timer (GWh) af verdens batterikapacitet, krævede elektriske køretøjer 3,5 gange mere: 140 GWh.
For at sætte tingene lidt i perspektiv, så kræver det kun én stor bilbatterifabrik at dække hele verdens behov for forbrugerelektronik-batterier. F.eks. Teslas gigafabrik i Berlin, hvor de planlægger at producere mere end 100 GWh om året, når den kommer ordentligt i gang.
Kapaciteten skal 140-dobles
Men vi har brug for mere end en gigafabrik eller to for at imødekomme verdens batteribehov, når elbilerne for alvor skal tage over fra dem med forbrændingsmotor. Spol frem til 2030, og vi vil have behov for ca. 2000 GWh årlig produktion af batterier på verdensbasis, ifølge prognoser. Det er 14 gange mere end i 2020!
Imidlertid inkluderer dette tal stadig mange køretøjer med fossilt brændstof, f.eks. hybridbiler. Hvis hele verdens bilpark kun skal køre på strøm inden 2050, skal kapaciteten øges til 10.000 GWh for lette køretøjer – mens den yderligere skal fordobles for også at omfatte busser og tung transport.
At øge verdens batterikapacitet 140 gange (!) fra 2020 til 2035 virker nærmest umuligt, men det er, præcis hvad der skal ske, ifølge et opråb underskrevet af en række internationale energi- og klimaforskere, baseret på en hel bunke forskningspapirer.
Og nu går det hurtigt. Bidens USA skal være emissionsfrit inden 2035, og oliegiganten Shell er i Holland blevet dømt til at reducere deres drivhusgasemissioner med 45 procent inden 2030. Hvilket betyder, at oliegiganterne kommer til at satse grønt.
Vedvarende energi har brug for lagring, og det bliver i form af batterier. Det vil stille yderligere krav til batteriproduktion.
To konkurrerende teknologier
De senere år har man forsket i mange nye batteriteknologier, men det ser ud til at have snævret sig ind til to aktuelle teknologier: Faststofbatterier, som er en helt ny type batterier, og de eksisterende litium-ion-batterier, men med en ny type anode, hvor silicium erstatter meget af det grafit, der anvendes i dag.
Faststofbatterier: Den hellige gral
Faststofbatterier (også kendt som solid state-batterier) betragtes af mange som den hellige gral inden for batterier. Det drejer sig om at udskifte elektrolytten, der adskiller minus fra plus, og som i almindelige litium-ion-batterier er flydende, med en i fast form. Det sker for at kunne bruge en anode i rent litium og helt undgå den ineffektive grafit.
Faststofbatterier har nogle enorme fordele. De kan lagre alt fra to til otte gange så meget som eksisterende litium-ion-batterier uden at veje mere. De er også langt mere miljøvenlige og meget sikrere, idet de ikke indeholder giftstoffer og aldrig vil lække eller eksplodere.
Toyota er blandt forkæmperne for faststofbatterier og mener, at deres kommende batteri med en rækkevidde på 500 km kan oplades fra 0 til 100 procent på ti minutter!
Blandt dem, der hævder at være kommet længst med faststofbatterier, er QuantumScape. Med Volkswagen som deres største investor hævder de, at en bil med en rækkevidde på 300 km med deres batterier vil kunne øges til 750 km uden at øge størrelsen på batteriet.
Sidste nyt fra den kant er, at QuantumScape sammen med Volkswagen skal vælge en placering til deres batterifabrik inden årets udgang. Mest sandsynligt i Tyskland. Håbet er at kunne åbne en produktionslinje med faststofbatterier inden 2025.
Andre, der satser på faststof, er Toyota, Nissan og Honda, som er gået sammen med bl.a. Panasonic i en gruppe på i alt 23 virksomheder, der arbejder med faststofbatterier til fremtidens elbiler. Og Ford og BMW har investeret i opstartsfirmaet Solid Power. Ford tror, at faststof vil være klar til masseproduktion, før årtiet er omme.
En dæmper på festlighederne
At lave stabile faststofbatterier er ikke uden udfordringer, hvilket over 40 års forskning uden noget resultat at fremvise vidner om. Bl.a. er det problematisk at få dem til at fungere ved temperaturer under 45 °C.
Blandt dem, der længe så ud til at stå over for et gennembrud, var bilproducenten Fisker. Men tidligere i år kom det frem, at de helt har droppet teknologien. Til The Verge sagde den danske grundlægger Henrik Fisker:
“Vi brugte lang tid – mange år – på forskning i faststofbatterier. Det er en type teknologi, hvor man føler, at man er 90 procent i mål, man er der næsten, og så finder man ud af, at de sidste 10 procent er meget sværere end de første 90. Men man ved det ikke, før man når de 90 procent. Da vi nærmede os en fuld forståelse af teknologien, indså vi, at det var meget vanskeligere, end vi oprindelig havde forestillet os, idet vi var meget begejstrede for nogle af vores tidlige gennembrud.”
Og hvad angår ovennævnte QuantumScape, så lagde en short-seller i april en dæmper på festlighederne med påstande om, at QuantumScape havde pyntet på data over for deres investorer. Det skete efter samtaler med tidligere medarbejdere, som alle hævder, at man er milevidt fra en løsning. Short-selleren Scorpion Capital spurgte en af de tidligere ansatte:
Har de løst de problemer, der har stået i vejen for faststofbatterier de sidste 50 år, som de hævder?
“Bestemt ikke. Så meget kan jeg sige med sikkerhed. Svaret på det er afgjort nej.”
Vil QuantumScape have et produkt i en bil i løbet af de næste ti år?
“Afgjort ikke.”
Samtaler med andre medarbejdere vidner om lignende pessimisme. Alligevel er mange optimistiske med hensyn til teknologien, og Solid Power er blandt de producenter, der mener, at de kan starte masseproduktion i 2026.
Silicium-anoder: Den nemmeste måde
En anden teknologi, som mange tror mere på, er en, hvor man bruger det nuværende litium-ion-princip, men erstatter en del af eller al grafitten med silicium.
Silicium kan nemlig rumme ti gange flere litium-ioner end grafit, hvilket muliggør et meget mere effektivt batteri. Og det bedst af det hele? Anoderne kan direkte erstatte anoden i dagens batterier, som derudover er magen til. Ingen dyre udskiftninger eller opgraderinger af batterifabrikkernes produktionslinjer, med andre ord.
“Hvis vi skal imødekomme den globale efterspørgsel efter elektriske køretøjer og have et vedvarende system for global energi og transport inden 2050, så skal den globale batteriproduktion øges til 30.000 GWh. Hvis vi skal bruge grafitanoder, har vi brug for omkring 23 millioner tons grafit om året. Med silicium-anoder har vi derimod kun brug for mellem en femtedel og en tiendedel (2-4 millioner tons silicium om året) på grund af den dramatisk højere kapacitet pr. kilo silicium sammenlignet med grafit.”
Det skrev Craig Weich, der er vicepræsident for forretningsudvikling hos Sila Nanotechnologies, i en e-mail til mig i februar sidste år.
Silicium har dog én ulempe, men den er til gengæld stor. Nemlig at det udvider sig. Faktisk helt op til 300 procent, når det er fuldt opladet. Det medfører revner i konstruktionen og gør, at batterierne går i stykker efter kun få ladecyklusser.
Hvad angår silicium-anoder, er det her, forskningen foregår. Den enkleste – og mindst imponerende – måde at løse problemet på har været kun at blande en lille dosis silicium i grafitanoden. Lige nok til at give en effekt, men uden risiko for, at siliciummet ikke har plads nok til at udvide sig.
Teslas næste batteri
Tesla bruger allerede silicium i deres batterier for at få lidt ekstra kapacitet ud af dem. Men ikke meget. I Teslas næste generation af batterier, kaldet 4680 efter batteriets bredde og længde i millimeter, skal mængden øges.
I stedet for eksotiske materialer som silicium-nanotråde eller andre højrenhedsløsninger vil Tesla iblande billig silicium af metallurgisk grad. Normalt bruger man superren silicium i elektronik, men Tesla hævder, at metallurgisk silicium giver meget billigere batterier, hvilket er vigtigt for at få priserne på elbiler ned.
Rækkevidden på køretøjer vil øges med 16 procent, ifølge Tesla. Beskedent – og helt sikkert ikke endestationen for Tesla, hvad batteriudvikling angår.
Den kommende SUV Model Y bliver den første bil med Teslas nyeste batteri.
Superrene anoder
Andre aktører tror mere på at bruge silicium af den reneste slags og så få løst problemerne med udvidelse. F.eks. ved at beklæde siliciumatomerne med en nanobelægning, som forhindrer udvidelse under opladning.
Blandt dem, der hævder at være lykkedes med dette, er Enevate, som har udviklet anoder med mere end 70 procent silicium, og som hævder 30-50 procent højere batterikapacitet end de nuværende litium-ion-batterier. Enevate forventer at se deres anode-teknologi i biler på vejene i 2024-25. Blandt investorerne er Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem og Samsung.
En anden udvikler er ovennævnte Sila Nanotechnologies, som er endnu mere håbefulde, hvad angår udrulning af batterier med silicium-anoder. Deres batterier hævdes at øge kapaciteten med 20-40 procent i forhold til de nuværende batterier.
Blandt hovedinvestorerne er Daimler (Mercedes) og BMW. Det er dog inden for forbrugerelektronik, Sila først ruller teknologien ud, og der skal allerede nu være produkter på trapperne med Sila-teknologi indeni. Hvilket de bekræftede over for undertegnede i en e-mail i februar i år.
Hvilke produkter siger Sila ikke noget om, men vi ved, at Xiaomi allerede er ude med flagskibsmobilen Mi 11 Ultra med silicium-anode i batteriet. Monstro det er Sila-teknologi, der er tale om?
Mens Volkswagen-koncernen understøtter faststofbatterier, har datterselskabet Porsche interessant nok meddelt, at de vil fokusere på silicium-anoder.
Andre producenter er også i gang, bl.a. Group 14, som også hævder at have løst problemet med udvidelse, og som allerede har bygget en fabrik i kommerciel skala for anoder til forbrugerbatterier. Ved udgangen af året håber de at have startet udviklingen af en meget større fabrik for anoder til bilbatterier.
Blandt de største investorer her er BASF og kinesiske Amperex (ATL) – en af verdens største batteriproducenter. OneD, Enovix, Amprius Technologies og Nexeon er nogle af de andre spillere inden for silicium-anoder.
Forbrugerprodukter nu, køretøjer i 2025
Vi har altså set de første annoncerede forbrugerprodukter med silicium-anoder. Der vil komme flere og flere. Der satses på køretøjer i 2024-25. Kort efter dette håber faststoflejren at få deres batterier på markedet.
Dermed ser det ud til at gå i retning af silicium-anoder for nuværende. Men det slutter ikke her. Problemerne med faststofbatterier kan endelig blive løst, og der er også helt nye teknologier, som kan være brugbare. F.eks. at udskifte litium fuldstændig til fordel for aluminium-ioner.
Uanset hvilken slags batterier vi ender med, får vi brug for utrolig mange af dem i fremtiden, for der ser ikke ud til at være nogen vej tilbage nu. Verden bliver elektrisk, og dermed basta!
Forbehold: Artiklens forfatter har aktier i REC Silicon, en norsk/amerikansk producent af polysilicium og silangas.
