Batterier er en av kjerneteknologiene i det grønne skiftet, en mulig ny storindustri i Norge, og kan brukes til langt mer enn lommelykter, elbiler og mobiltelefoner. Men det er også en teknologi i konstant endring. Vi har bedt en av forskerne som er helt i front på feltet gi oss en rask innføring i batterifeltet og mulighetene batterier byr på i energiovergangen.

Ekspertintervjuet

Fride Vullum-Bruer er seniorforsker ved SINTEF.

Vil du dykke litt dypere i teknologien: Bla helt ned til slutten av dokumentet – der gir Vullum-Bruer en kort innføring i batterikjemi.

<2°C: – Sett fra ditt ståsted, er det noe som gjør Norge godt egnet eller mindre godt egnet til å produsere batterier?

Fride Vullum-Bruer: – For det første er vi langt fremme i verden når det kommer til bruk av elbiler og elektrifisering, og har bred forståelse og aksept for dette blant befolkningen. Vi er verdensledende med tanke på elektrifisering i maritim sektor. Vi har to ledende produsenter i Siemens og Corvus som bygger batterier for den sektoren.

Men vi har samme utfordringen som resten av Europa: 95 prosent av alle battericeller importerer vi hovedsakelig fra Kina, Japan og Sør-Korea. Både EU og vi har heldigvis våknet – vi ser at sånn kan vi ikke fortsette. Dette er et kjempemarked vi må være med og ta andeler i.

– Vi kan mer enn halvere CO₂-fotavtrykket

– Men Norge er jo et dyrt land å produsere nær sagt alt i?

– Her må vi huske på at det er spesielt to ting som er kostnadsdrivende i produksjonen av battericeller. Materialer – batteriproduksjon er ekstremt materialintensivt – og kraft – det er også ekstremt kraftintensivt.

Dette intervjuet er gjort i forbindelse med vårt nye temanotat Batterier som klimaløsning.

Les hele notatet her

Last ned PDF her

I Norge har vi jo lang erfaring med og en kultur for kraftkrevende industri, aluminiumsindustri for eksempel. Og vi har mye fornybar kraft, først og fremst fra vannkraft. Det store ankepunktet mot litiumion-batterier fra Kina, er at de i hovedsak er produsert med kullkraft. Det gir dem et skyhøyt karbonfotavtrykk. Vi kan mer enn halvere CO₂-fotavtrykket på battericelleproduksjon i Norge sammenliknet med Kina. Og det er uten å ta i betraktning redusert CO₂-avtrykk fra materialproduksjonen, det er kun på selve celleproduksjonen. Det kommer bare til å bli viktigere for kunder i fremtiden.

Kostnadsmessig kan vi produsere batterier nesten like billig som i Kina. Andelen fornybar kraft gir oss imidlertid et stort konkurransefortrinn.

I tillegg har vi en høyt utdannet arbeidsstokk – battericelleproduksjon krever høy kompetanse, folk med doktorgrad, mastergrad og fagbrev. Det har vi i Norge. Vi mangler riktignok spesifikk utdannelse på det, så inntil videre må vi importere en del kompetanse. Men det kan vi gjøre noe med på sikt.

Helt til slutt har vi også et klima som egner seg: Når man skal produsere batterier, er det en fordel at det er kaldt og tørt. Kina legger ikke sine batterifabrikker i Beijing og Shanghai der det er fuktig og varmt. De flyttes inn i landet hvor det er kaldere og tørrere. Og det er nok også en av grunnene til at Freyr plasserer sin batterifabrikk i Mo i Rana. Så vi har mange fortrinn i Norge.

Slik virker et batteri

– Kan du fortelle – veldig forenklet – hvordan batterier generelt fungerer?

– Et batteri produserer ikke energi, men lagrer den. Du har en viss mengde energi tilgjengelig, som kan flyttes frem og tilbake. Mellom katoden, pluss-siden, og anoden, minus-siden.

Tenk deg at du har en bøtte vann: En som står på gulvet, og er tom. Det er katoden. En annen står på et bord rett over, og er full. Det er anoden. Når du bruker batteriet, er det som om du åpner en kran i bøtten på bordet. Da renner vannet ned i bøtten på gulvet. Da er det ionene som går tilbake til katoden. Skal du få vannet tilbake til anoden, må du gjøre fysisk arbeid – du må tømme vannet tilbake i bøtten på bordet. Det er det du gjør når du lader batteriet.

– Hvorfor begynner batterier å svikte etter en stund?

– Det kan ofte være vanskelig å si. Batterier er komplekse, og det er lukkede systemer, så vi kan ikke åpne opp og titte inn i dem uten videre heller. Materialene er blant annet følsomme for luft og fuktighet. Slipper det til, kan de i verste fall eksplodere.

Generelt handler det om at materialene degraderer på en eller annen måte – altså de går over i en tilstand som gjør at de mister noen av de gunstige egenskapene de hadde. For eksempel hvis du hurtiglader for mye. Når du lader batteriet, presser du litiumioner tilbake til anoden. Når du hurtiglader, kan det være at det ikke går fort nok – og litiumioner hoper seg opp på overflaten av anoden. Da risikerer du at de finner tilbake til elektronene og deponerer seg som metall igjen. Du vil ikke at det skal skje.

Ikke reis fra en fulladet elbil

– Hvorfor ikke?

– Fordi det er ionene som gjør at du kan flytte energi fra en pol til en annen. Du har et begrenset antall ioner i et batteri i utgangspunktet. Hvis de slutter å være ioner og blir metall, mister du kapasitet.

En annen ting som kan skje, på katodesiden, er at noen materialer – blant annet Nikkel – kan begynne å flytte på seg når litiumet har gått over på anodesiden. Fordi det plutselig blir ledig plass i strukturen. Men da hindrer de samtidig litiumet i å komme tilbake. Da mister du også kapasitet.

I tillegg – selv om det alltid er litt litium igjen på katodesiden – for du tar aldri alle litiumionene over på andre siden – blir strukturen litt ustabil. Det blir som om du fjerner alle veggene i huset ditt, og det bare står bjelker igjen på hjørnene. Huset står, men det er blir ustabilt. Så et fulladet batteri kan være litt ustabilt. Det er grunnen også til at om du lagrer et litium-batteri over lengre tid, skal du aldri gjøre det fullt oppladet.

– Ai. Så det var en tabbe å lade elbilen fullt opp før vi reiste på ferie i sommer?

– Riktig. For når det står sånn fulladet over lang tid, er det mye større sjans for at materialene i katoden begynner å omorganisere seg, slik at det ikke blir plass til så mye litium neste gang du skal bruke bilen.

Derfor bør du – når du skal la elbilen eller dingsen med litiumbatteri stå ubrukt over lang tid, prøve å sørge for at batteriet er på rundt 50 prosent.

Ustabile elektrolytter

– Er det noen andre tabber jeg antakelig har gjort som jeg bør være klar over?

– Ja, for oss som bor i Norge har kulde også ofte mye å si. Har du vært ute i minusgrader, og mobilen er død, må du ikke finne på å lade den før du har varmet batteriet opp til romtemperatur.

– Men den er jo død? Den trenger jo strøm?

– Det kan godt være at grunnen til at den er død er fordi elektrolytten har frosset. Men hvis du da begynner å lade den, og litiumionene ikke klarer å komme gjennom elektrolytten og gå inn i anoden, skjer det samme som når du hurtiglader for mye. Ionene blir til metallbelegg i stedet.

Men i tillegg til alt dette, kan det skje noe med elektrolytten som vi ikke har så god kontroll på. Og det er det ikke så mye vi kan gjøre med.

På anodesiden er nemlig ikke elektrolytten helt stabil. Første gangen man lader opp og lader ut batteriet, dannes det noe kalles SEI – kort for solid electrolyte interface. Vi har ikke noe godt norsk ord for det, men det er altså elektrolyttkomponenter som brytes ned, og du får et lag med ulike elementer som ligger oppå anoden. I det laget mister du for det første litt litium, men det vil også hindre de litiumionene du har igjen fra å gå fritt gjennom.

Batterier dør i varmen

– Hva kan vi gjøre med det?

– Nei, dette er en av de største utfordringene vi har med litiumbatterier. Vi har forsøkt i over 30 år å finne ut hvordan dette fungerer, og vi har ikke full kontroll på det ennå. Forskerne vet mye om hvordan det dannes og oppfører seg. Men det er fremdeles utfordrende å ha full kontroll.

Men det er ikke din feil som forbruker. Det dannes allerede på batterifabrikken, når de kjører rutinemessige opp- og utladningssykluser før de sender batteriet på markedet. Og ideelt sett skulle det bare forblitt sånn som det ble etter første syklusen. Men verden er ikke ideell, og dette laget blir bare tjukkere jo mer batteriet brukes. Det spiser opp batteriet.

Samtidig har temperatur noe å si også her. For lar du mobilen din ligge i solen, og bli veldig varm, vil elektrolytten kunne påvirkes. Da vil molekylene i elektrolytten brytes ned raskere, og bidra til at batteriet får kortere levetid.

Ulik bruk, ulike materialer

– Tilbake til materialene: Har hva batteriet skal brukes til – stasjonært eller mobilt, smått eller stort – betydning for hvilke materialer vi bruker?

– Ja, man designer gjerne batterier til ulike anvendelser. Materialvalg henger da sammen med hvilke egenskaper du er avhengig av, og hvilke som ikke er så viktige for deg.

Da er det flere egenskaper vi gjerne er opptatt av: Spesifikk energi, og spesifikk effekt. Spesifikk energi er egentlig det samme som energitetthet, altså hvor mye energi per volum eller kilo du får ut.

– Spesifikk effekt, eller effekttetthet, handler om hvor raskt du klarer å ta ut effekt. Andre egenskaper kan være kostnad, levetid og sikkerhet. I en elbil er for eksempel energitetthet viktig – du vil ha mest mulig energi i en minst mulig pakke som veier lite. Derfor er NMC mye brukt i elbiler.

Noen ganger kan du imidlertid være villig til å ofre litt energitetthet til fordel for at du får noe som er ekstra brann- og eksplosjonssikkert. Da kan du velge andre materialer: Litiumtitanat, eller LTO på anoden, og LFP på katoden. Denne kombinasjonen gir svært høy sikkerhet, men lavere energitetthet og er mye mer kostbart. Den typen batteri brukes gjerne i romfart eller på ubåter – fordi der er du veldig sårbar om det skulle skje noe med batteriene.

Koboltfrie batterier

– Er det bare materialvalg som avgjør egenskapene?

– Du kan også velge ulike måter å designe batteriet på, som gjør det bedre eller dårligere egnet for ulike oppgaver. Hvis du for eksempel kan ofre effekt for at du skal kunne bruke det lenge mellom hver lading, kan du gjøre elektrodene tjukkere.

– En del er bekymret for materialer som brukes i noen batterityper. Kobolt spesielt, i noen typer litium-ion-batterier. Må vi ha kobolt i batteriene? Hva er alternativene?

– Ja og nei. Utfordringen med kobolt er at det har egenskaper som gjør det nødvendig å bruke litt av i noen batterityper, for eksempel i NMC-batteriene. Men det er blitt stadig lavere andel av kobolt i disse batteriene. De første NMC-batteriene hadde omtrent like deler nikkel, mangan og kobolt. Nå er det rundt 80 prosent nikkel, 10 prosent av kobolt og mangan. Og kobolt er ett av materialene forskerne virkelig jobber for å kvitte seg helt med i batteriene. Noen batterityper, som dem med LFP-katoder, har jo ikke kobolt i det hele tatt.

– Blir de brukt?

– Jada, Tesla produserer for eksempel nå biler i Kina med LFP-katoder. Så har du en annen batterikjemi, LMO, litium manganoksid, som også er koboltfri.

Det er mange grunner til at man ønsker å kvitte seg med kobolt. De etiske vurderingene må vi ta på alvor. Batteriprodusenter som Northvolt krever for eksempel nå at leverandører av kobolt må innfri krav som utelukker kobolt fra gruver som opererer uetisk. Det kommer også nye EU-regulativer som vil sette strenge krav til batterier produsert i EU og batterier og materialer importert til EU.

Men i tillegg er kobolt følsomt for konjunkturer i markedet, og det gjør at kostnadene svinger. I tillegg er det en miljøgift, som er vanskelig å håndtere. Slikt sett er mangan og jern mye bedre.

– Vi har mer enn nok litium

– Andre bekymrer seg over reservene vi har av noen av disse grunnstoffene. For eksempel litium. Hvor bekymret bør vi være?

– Det finnes egentlig mer enn nok litium, problemet er utvinningen av stoffet, som krever voldsomt mye vann. Igjen kommer det nye EU-regulativer som vil stille krav til andelen resirkulerte materialer til nye batterier.

Utfordringen er at frem til nå har resirkuleringsteknologien hengt langt etter batteriutviklingen. Det er dyrt, det er ikke forsket nok på det, og vi har endt opp med å bare resirkulere de materialene som har vært lønnsomme allerede. Kobber, aluminium, kobolt, mangan og nikkel.

Kommersiell resirkuleringsteknologi har gjort at omtrent 50 prosent av materialene har kunnet blitt gjenvunnet. Alt annet er gått som avfall og blitt brent eller kastet i deponi. Ifølge de nye kravene som kommer vil opp mot 90 prosent måtte gjenvinnes – inkludert litiumet. Så vi vil få mye mer materialer som vil gå sirkulært. Og det er vi rett og slett nødt til, med den farten vi ser på elektrifiseringen i dag.

En innføring i batterikjemi

Vi bruker et litiumbatteri som eksempel – selv om prinsippet for alle batterier er det samme: Du har to poler med en elektrolytt mellom. Setter du på strøm og lader batteriet, får du et ion, et stoff med en positiv elektrisk ladning, til å gå gjennom elektrolytten fra pluss-siden (katoden) til minus-siden (anoden), mens elektroner tvinges gjennom en ytre elektrisk krets den samme veien – fra pluss til minus.

Når du bruker batteriet, er det anoden som er full av elektroner og ioner. Da er de i en tilstand hvor de bare trenger en liten dytt, så går ionene tilbake til katoden, og elektronene ender på samme sted – men denne gangen går de veien om en annen, ytre elektrisk krets. For eksempel i mobiltelefonen eller elbilen din.

Men det er mange ulike stoffer involvert, forklarer Fride Vullum-Bruer:

I katoden er variasjonen i materialer større. En vanlig kombinasjon i elbiler kalles NMC. Det er en forkortelse for nikkel, mangan og kobolt. Det fine med den, er at disse tre metallene danner en krystallstruktur som gjør at litium lett kan gå inn og ut av strukturen. Slike strukturer kreves for at batteriet skal fungere. Litiumet må ha et sted å gjøre av seg.

– Det er forskjellige stoffer som egner seg til forskjellige steder i batteriet. Og det er mange forskjellige typer batterier. I litiumbatterier, er litium det viktigste stoffet, det gjør at energien flytter på seg. Anoden er gjerne laget av grafitt, som er en form for karbon.

En annen variant du hører om er LFP – litium, jern og fosfat. Det brukes ofte der man trenger høyere sikkerhet – det går ikke så lett varmt, så brannfaren er mye mindre. Dette er altså de aktive materialene, som bidrar til at energien blir lagret. Men du har også en del hjelpematerialer.

Elektrolytten står for transporten

– Som for eksempel?

– På anodesiden bruker vi gjerne kobber – du legger grafikkelektroden på en kobberfolie. Den fungerer som en strømsamler – slik at du lett får ledet elektronene ut til den ytre kretsen. Tilsvarende har du ofte aluminiumfolie på katodesiden.

Til slutt har du elektrolytten – væsken som ligger mellom katoden og anoden. Elektrolytten består gjerne av et organisk løsningsmiddel, og et litiumsalt. Og helt til slutt er hele batteriet kapslet inn av et metall.

– Hva skal vi med elektrolytten?

– Den transporterer litiumionene – men ikke elektronene. Det som er viktig, er at katoden og anoden ikke er borti hverandre, da kortslutter batteriet. Husker du historien om de nettbrettene folk ikke fikk ta om bord på flyet, fordi de kunne ta fyr? Det handlet om akkurat dette. Under gitte omstendigheter kunne katoden og anoden komme i fysisk kontakt med hverandre, og da begynte batteriet å brenne.

– Hvordan unngår du det?

– Du bruker en såkalt separator. Det er gjerne et porøst polymer, altså et slags plaststoff som elektrolytten kan gå gjennom, og dermed også litiumionene. Det fungerer også som en barriere som hindrer fysisk kontakt mellom anode og katode.

Må kunne ta imot ionene

– Men hva er det med disse stoffene som gjør dem egnet til å være i batterier?

– Det er to ting som er viktige her. For det første, må de kunne ha en struktur som har plass til litiumionene. Som jeg nevnte, må litiumionene kunne gå fritt inn og ut av disse strukturene. For det andre må materialene kunne oksidere eller redusere – hvis ikke klarer de ikke flytte på litiumionene..

Hvis vi ser på katodematerialene – det er der vi har mest forskjellige typer – handler det om at du har ulike metaller som kan ha forskjellig grad av positiv ladning. Jern kan for eksempel ha en ladning på +2, +3 og +4. Vi sier de kan ha flere oksidasjonstilstander.

– Hvorfor har det noe å si?

– Fordi dette handler om å flytte litiumionene ut av en struktur, gjennom elektrolytten og inn i en annen struktur på den andre polen. Og litiumionene er altså positivt ladet. Når de forlater strukturen på katoden, må de andre stoffene kunne balansere ladningen igjen. Det gjør de ved å endre oksidasjonstilstand – og være stabile i disse tilstandene. Det er bare noen grunnstoffer dette gjelder for.

På anodesiden, har du grafitt som kan ta inn i seg litiumionene. Der får du altså et elektron som går inn i den ytre kretsen som gjør at det blir balansert. Det samme har du med silisium, som er et materiale vi ser oftere i anoden.