Dyrere strøm og økt elektrifisering har påvirket batteriforskningen, forklarer seniorforsker Fride Vullum-Bruer.
Mercedes’ elbussmodell, eCitaro, selges oftest med vanlige litiumceller, som i denne fra Berlin, men modellen leveres nå også med faststoffbatterier. Slike ruller allerede i flere tyske byer. Foto: Mirkone/Creative Commons, lisens: CC BY-SA 4.0
En teknologi som er på vei, bokstavelig talt, er faststoffbatterier, som skal løse en del av problemene de tradisjonelle batteriene har, forteller SINTEF-seniorforsker Fride Vullum-Bruer. Men hva handler det egentlig om? Hva har ellers skjedd med batteriforskningen under energikrisen, og hvordan har den påvirket industrien? Og hva gjør vi med Kina?
<2°C:– Først, faststoffbatterier. Hva er det, og hvorfor snakker så mange om dem?
Fride Vullum-Bruer: – Det ligger egentlig litt i navnet: Det er batterier der den flytende elektrolytten er byttet ut med en elektrolytt som ikke er flytende, altså et fast stoff.
Hovedkomponentene i batterier er elektrodene, altså anoden og katoden, og elektrolytten. Grunnen til at litium-batterier kan begynne å brenne, er nettopp elektrolytten. Den brannrisikoen vil du ikke ha med faststoffbatterier, og det er en veldig viktig fordel.
I tillegg tåler faststoffbatteriene mye større temperaturvariasjoner. Med dagens litium-batterier har du et temperaturintervall der de fungerer, men spesielt hvis det blir varmt kan du få problemer med dem. Faststoffbatteriene tåler mye større temperatursvingninger, og kjøling blir ikke så kritisk som det er nå.
– Men det er noen utfordringer med dem?
– Ja, fordelen med en flytende elektrolytt er at du får god kontakt mellom elektrolytten og elektrodene, og god transport av litiumioner gjennom væsken. Du er avhengig av begge deler for at batteriet skal virke, og begge deler er litt utfordrende med et fast stoff.
Kontaktproblemer
– Hvorfor?
– Når du bruker eller lader batteriet, endrer begge elektrodene litt volum, fordi litiumionene flytter på seg. De må ha plass til å krympe og vokse litt uten at det går på bekostning av kontakten med elektrolytten. Det er mindre problematisk når elektrolytten er en væske, den kan man dytte litt på. Med et fast stoff, er det vanskeligere. Du risikerer å få sprekker og dårligere kontakt.
– Hva med størrelsen? De tradisjonelle batteriene er jo blitt små, men kraftige?
– Energitettheten av faststoffbatteriene er beregnet å skulle bli 2-3 ganger det som er på dagens litiumbatterier. Så du vil kunne få enda mindre og lettere batterier enn dagens. Og det vil selvsagt være en kjempefordel med tanke på å kunne bruke dem for eksempel i fly.
I tillegg er det i dag begrensninger på geometrien på batterier. Du har sylindriske celler, prismatiske eller poseceller, der begge de to sistnevnte har en rektangulær geometri. Med faststoffbatterier vil man ha mer frihet, slik at man i større grad kan skreddersy formen dersom det er behov for det.
Styrer unna de sjeldne og dyre stoffene
– Hva slags stoffer er aktuelle? Får vi et nytt råvareproblem nå?
– Det er mange ulike elektrolytter det forskes på. Uten å gå i detalj på all kjemien: Det gjennomsyrer all seriøs batteriforskning i dag at vi ikke skal bruke lite tilgjengelige, kostbare stoffer. Fordi det aldri vil bli kommersielt interessant.
– Men hvor langt unna er vi at denne teknologien blir hyllevare?
– Den er i bruk allerede: Toyota har bygget en prototypebil med faststoffbatteri som er registrert for å kjøre på veiene i Japan. Mercedes leverer busser med faststoffbatterier. Så de er på en måte på markedet, men de masseproduseres ikke i samme grad som vanlige litiumbatterier.
https://www.youtube.com/watch?v=cfSSHYOrQNI Toyotas faststoff-prototype har fått japansk registreringsnummer og ser ut til å være en utgave av konseptmodellen LQ.
– Og dermed er det kanskje også vanskelig å si noe om levetiden på dem?
– Ja, skal man ha realistiske levetidsmålinger på batterier, må de også brukes over lang tid. Det går an å kjøre såkalte akselererte tester, men de vil aldri være helt like de man får i en brukssituasjon.
Kan de gjenvinnes?
– Hva med sirkulariteten? Dagens litiumbatterier er jo ikke akkurat lette å gjenvinne?
– Faststoffbatterier blir nok ikke vanskeligere, i alle fall. En av utfordringene i dag er at vi ikke har kommersiell teknologi som kan gjenvinne elektrolytten. Det er så mye reaksjoner som skjer i den væsken gjennom batteriets levetid. Dermed går elektrolytten tapt i gjenvinningsprosessen.
Men en generell tilleggsutfordring er at det ikke forskes på gjenvinning av batterier i samme grad som på ny batteriteknologi. Gjenvinningsteknologien ligger derfor lysår bak, men det skjer mye der nå, og det vil jo også komme nye EU-regler som vil kreve at gjenvinningsgraden går kraftig opp.
– Apropos det: Hva har preget forskning og utvikling på batteriområdet de siste par årene? Har energikrisen påvirket forskningen?
– Ja, før var det veldig mye oppmerksomhet rundt egenskaper som var etterspurt av bilindustrien: Alt ble utviklet med tanke på lettere, mindre, mer energitette batterier, hurtiglading og så videre. Nå ser vi en tydelig dreining mot stasjonære batterier.
Strømbehovet øker verden over. Også i Norge, som tidligere oftest hadde kraftoverskudd, går det mot kraftunderskudd om ikke lenge. Når alt skal elektrifiseres, blir det fort til at vi bruker mer strøm hjemme enn vi produserer. Vi kan ikke bygge ut vannkraft i det uendelige, det må mer sol, vind og annen fornybar energi inn, der produksjonen ikke følger forbruket. Da blir energilagring enda viktigere. Ikke minst ser vi nå, med de ekstremt høye strømprisene vi har hatt siste året og nye effekttariffer, at vi har behov for å forskyve lasten.
– Altså at alle ikke bruker strøm samtidig?
– Nettopp. Har du batteri i huset, kan du kjøpe strømmen når den er billig, og så koble det inn på morgenen og ettermiddagen når behovet er stort og prisen høy. Flere batterier koblet på nettet kan både redusere behovet for å bygge ut strømnettet, og bidra til å stabilisere nettet også.
I tillegg ser kraftleverandører og nettselskaper på bruk av batterier for å stabilisere nettet der de sliter med å levere til kunder, også det tror jeg vi vil se mer av. Det er nok derfor selskaper som Freyr og Elinor satser på stasjonærmarkedet nå.
– Nye EU-regler gir nye muligheter for Norge
– Men har energikrisen gjort noe med rammebetingelsene for batteriindustri i Norge? Vi hører jo at høyere strømpriser gjør Norge mindre attraktivt å etablere industri i, har batteribransjen fått dårligere rammevilkår?
– Jeg vil ikke si det. Nå kommer det som sagt nye EU-regler, som vil legge vekt på karbonavtrykket i produksjonen av batterier. Det å kunne energieffektivisere produksjonen, og ikke minst produsere med grønn energi, vil bli enda mer etterspurt. På grønn energi har vi fortsatt et fortrinn, og klimaet gir oss enda et fortrinn med tanke på energieffektivitet. Mye av energiforbruket i batteriproduksjon brukes til å opprettholde tørrom – der luften skal være knusktørr. Det er en grunn til at Tesla har bygget batterifabrikker i ørkenen.
Det er ekstremt energikrevende, og jo varmere og fuktigere uteklimaet er, jo mer energi må du bruke på det. I Orkdal, for eksempel har vi kalde og tørre vintere – og det vil kunne dra ned energibehovet betydelig.
Hva gjør vi med Kina?
– Helt til slutt: Batterier er enda et område med fornybarteknologi der Kina har hatt et forsprang, noe mange synes er … skal vi si litt ubehagelig, med dagens geopolitiske situasjon. Er det rimelig å si at det er en økende bevissthet i vår del av verden rundt å bli mindre avhengig av kinesisk teknologi og råvarer?
– Helt klart. Vi ser spesielt i EU-prosjekter som SINTEF deltar i, at det satses sterkt på å støtte økt europeisk produksjon, at utvinning av råvarer og produksjon av batterier skal gjøres i Europa.
Vi ser det på andre måter også. For eksempel har hovedfokuset lenge vært såkalte NMC-batterier, fordi dette har vært etterspurt i bilindustrien. Men nå ser vi en dreining mot såkalte LFP-batterier – eller litium-jern-fosfat-batterier. Det er flere årsaker til det, men noe av det er at markedsprisen på nikkel og kobolt har gått opp og ned som en jojo. De brukes ikke i LFP-batterier, og dermed er markedsprisen mer stabil og forutsigbar.
Sist men ikke minst – veldig mye av LFP-patentene har ligget i Kina, men mange av dem er nå i ferd med å gå ut. Dermed blir det mindre behov for lisensiering, og det blir lettere for andre å begynne å produsere komponenter. Det er en viktig faktor.
Samtidig: Kina står for mye av grafittproduksjonen til batterier i verden, selv om mange europeiske aktører – som norske Vianode – jobber hardt for å bygge opp sin produksjon.
– Og fortsatt er Kinas markedsandeler høye?
– Det er ikke gjort over natten å bygge sånne gigafabrikker. Det går flere år fra planlegging til produksjon. Northvolt har for eksempel først nå begynt å produsere noe av betydning. Freyr har startet sin første produksjonslinje i Mo i Rana, men de første går mest til verifisering til kunder – så det er ikke storskalaproduksjon ennå. Men det er mange fabrikker underveis i Europa, og jeg tror vi vil se en ganske stor endring i løpet av 2-3 år. Da vil Europa ta markedsandeler fra Asia – for det er ikke bare Kina, det er også mye som produseres i Sør-Korea og Japan.
