Tack vare den växande marknaden för elbilar har tillverkningskostnaden för batterier under de senaste åren blivit mycket lägre. Det har bidragit till att batterier i allt större utsträckning börjat användas för energilagring i stor skala, framför allt när det gäller lagring av solel. Idag utgörs mer än 90 procent av de batterier som används i storskaliga batterilagringsprojekt av litiumjonbatterier, av samma typ som de som sitter i till exempel din mobiltelefon eller laptop, men flera företag satsar på att utveckla nya batteritekniker för att möta den ökande efterfrågan på batterier utan att utarma resurser som litium och kobolt och påverka miljön negativt.
Text: Alarik Haglund
Jämfört med andra befintliga batteritekniker, som till exempel blybatterier, har litiumjonbatterier en hög energidensitet, vilket betyder att de både väger mindre och tar mindre plats. Detta gör dem till ett attraktivt alternativ, men deras användbarhet inom storskalig energilagring har också ett antal begränsningar. Bland annat är de trots sänkta kostnader fortfarande relativt dyra att tillverka, bland annat på grund av att det krävs stora mängder litium och kobolt. De laddar också ur sig själva även när de inte används. Det innebär att litiumjonbatterier lämpar sig bäst för kortvarig lagring av energi.
Det utvecklas därför flera nya batteritekniker som järnluftsbatterier, som lagrar energi med hjälp av rost, och natriumjonbatterier, som inom kort kan komma att tillverkas i kommersiell skala.
Elektricitet för flera dagar
Det amerikanska företaget Form Energy grundades 2017 med målsättningen att utveckla ny teknik för att på ett kostnadseffektivt sätt lagra elektricitet för flera dagar. De hoppas på så vis kunna göra förnybar energi tillgänglig när den behövs, även under perioder med extremt väder eller när produktionen från förnybara källor som solenergi och vindkraft är låg.
Företagets första kommersiella produkt, som presenterades i juli 2021, är ett laddningsbart järnluftsbatteri som är mycket billigare att tillverka än dagens litiumjonbatterier och som kan utnyttjas för att lagra elektricitet som räcker för mer än 100 timmars kontinuerlig användning.
Den ursprungliga idén bakom järnluftbatterier, som har en ännu högre energidensitet än litiumjonbatterier, kläcktes redan på 1970-talet, men tekniken har aldrig kommersialiserats, bland annat på grund av att antalet laddningscykler som kunnat uppnås varit kraftigt begränsad.
- Vi gjorde en bred granskning av tillgänglig teknik och har återuppfunnit järnluftsbatteriet och optimerat det för flera dagars energilagring för elnätet, säger Form Energys vd Mateo Jaramillo.
Ett av Form Energys batterier är ungefär lika stort som en tvättmaskin och är fyllt med en flytande vattenbaserad elektrolyt, som inte är brandfarlig. Totalt innehåller batteriet mellan 10 och 20 individuella battericeller, som är försedda med en luft- och en järnelektrod.
När det används andas batteriet in syre från luften och omvandlar järnet till rost. När det laddas utnyttjas sedan en elektrisk ström för att återställa rosten till järn, samtidigt som batteriet andas ut syre.
En tiondel av kostnaden
Tack vare att de aktiva komponenterna i Form Energys järnluftsbatteri bara är vatten, luft och järn, som är en av de säkraste, billigaste och mest vanligt förekommande mineralerna på jorden, uppskattar företaget att det jämfört med litiumjonbatterier är möjligt att lagra energi till endast en tiondel av kostnaden. Batterierna riskerar inte heller att överhettas och de är tack vare att de inte innehåller några tungmetaller lätta att återvinna.
Form Energy planerar att använda batterierna för att skapa modulära batterisystem som kan placeras var som helst, inklusive i tätbebyggt område, och som kan tillverkas i närheten av den plats där de placeras. Genom att samla allt från ett tiotusental till hundratusentals batterier i containrar eller en byggnad och koppla dem till elnätet kan Form Energys batterisystem även anpassas efter behovet i ett enskilt projekt.
Bland Form Energys investerare finns bland annat Bill Gates Breakthrough Energy Ventures och stålföretaget ArcelorMittal. Företagets första batterisystem i kommersiell skala ska tas i drift 2023 hos Great River Energy i Minnesota. Batterisystemet har en total energilagringskapacitet på 150 megawattimmar och en effektkapacitet på 1 megawatt, vilket betyder att det när det är fulladdat kan leverera elektricitet under 150 timmar i sträck.
Under 2024 förväntas sedan större batterisystem kunna tas i drift. Ett större batterisystem behöver emellertid inte nödvändigtvis ta större plats. I den konfiguration som har lägst densitet tar ett batterisystem med en effektkapacitet på 1 megawatt cirka 4 000 kvadratmeter i anspråk, men genom att använda konfigurationer med högre densitet är det möjligt att nå upp i en effektkapacitet på mer än 3 megawatt på samma yta.
Trots fördelarna är tekniken enligt Form Energy inte tänkt att ersätta litiumjonbatterier för energilagring utan den ska i stället användas som ett komplement till litiumjonbatterier för att leverera förnybar energi till lägsta möjliga kostnad året runt.
Storskalig tillverkning
En annan batteriteknik på frammarsch är natriumjonbatterier. Tekniken bygger på samma princip som litiumjonbatterier, men använder sig av natriumjoner i stället för litiumjoner som laddningsbärare. Natriumjonbatterier har hittills haft en något lägre energidensitet än litiumjonbatterier. Däremot skulle de tack vare att natrium är ett mer vanligt förekommande ämne än litium även kunna tillverkas till betydligt lägre kostnad.
Det kinesiska företaget CATL (Contemporary Amperex Technology Limited), som grundades 2011 och idag är en världsledande tillverkare av litiumjonbatterier till både elbilar och energilagringssystem, meddelade i augusti 2021 att de till 2023 planerar att dra i gång den första kommersiella tillverkningen av natriumjonbatterier i stor skala.
En flaskhals i kommersialiseringen av natriumjonbatterier har länge varit att natriumjoner jämfört med litiumjoner har större volym och därför ställer högre krav på de elektrodmaterial som används. Efter många års forskning har CATL valt att som katodmaterial använda pigmentet preussiskt vitt, med en inre struktur som ordnats om genom att elektronerna flyttats. De har också utvecklat ett hårt kolmaterial med en unik porös struktur, som när det används som anodmaterial gör det möjligt att lagra stora mängder natriumjoner och samtidigt låta dem röra sig snabbt. Dessutom tillåter materialen ett stort antal laddningscykler.
Första generationen
CATL:s första generation natriumjonbatterier har tack vare de innovationer som företaget gjort en rad fördelar. Bland annat har de en hög energidensitet, som nästan kan mäta sig med energidensiteten hos litiumjonbatterier och som förväntas kunna höjas ytterligare innan den storskaliga produktionen inleds. De kan också laddas snabbt och det tar vid rumstemperatur inte mer än 15 minuter att ladda batteriet till 80 procent av den totala lagringskapaciteten. Dessutom har de utmärkt termisk stabilitet och presterar väl vid låga temperaturer. Det innebär till exempel att självurladdningen är liten även vid minus 20 grader Celsius. Batterierna kan därför med fördel användas i elbilar och anpassas för olika typer av energilagring, särskilt i områden där det är väldigt kallt.
Batterierna kan även integreras med litiumjonbatterier på ett effektivt sätt och CATL har tagit fram en lösning som gör det möjligt att kombinera natriumjonbatterier och litiumjonbatterier i olika proportioner i ett och samma batterisystem. Det är på så vis möjligt att dra nytta av fördelarna med natriumjonbatterier på samma gång som man kompenserar för batteriernas nuvarande begränsningar när det gäller energidensitet.
Enligt Qisen Huang från företagets eget forskningsinstitut är tillverkningen av natriumjonbatterier kompatibel med den utrustning och de processer som används vid tillverkning av litiumjonbatterier. Han menar därför att det genom att ställa om produktionslinjerna snabbt går att komma upp i en hög produktionskapacitet.
Svensk battericell
Även det svenska företaget Altris satsar på natriumjonbatterier och har tillsammans med företaget LiFeSiZE, som precis som Altris är baserat i Uppsala, tagit fram en battericell som har likvärdig prestanda med litiumjonbatterier men är mycket mer miljömässigt hållbar.
Altris, som grundades 2017, anser att säkra och miljövänliga batterier, utan giftiga eller dyra kemiska föreningar, är en förutsättning för en hållbar framtid. De har därför utvecklat en ny metod för att tillverka ett katodmaterial för natriumjonbatterier baserat på preussiskt vitt, som endast består av vanligt förekommande ämnen som järn, natrium från havsvatten, kväve från luften och kol från trä. Altris katodmaterial innehåller med andra ord inga konfliktmineraler, det finns inga geopolitiska inköpsproblem och det är mycket lätt att återvinna. Tack vare den energisnåla tillverkningsprocessen gör materialet dessutom att det blir möjligt att tillverka batterier till mycket lägre kostnad.
Samtidigt påminner katodmaterialets prestanda om litiumjärnfosfat, som ofta används som katodmaterial i litiumjonbatterier. Den battericell som i juni 2021 presenterades av Altris och LiFeSiZE har därför, trots att den innehåller mer hållbara material och tillverkas på ett mer hållbart sätt, ungefär samma energidensitet och livslängd som litiumjonbatterier med en katod av litiumjärnfosfat.
- Detta är teknik som skulle kunna revolutionera industrin, förbättra batteriernas hållbarhet och sänka tillverkningskostnaderna, säger Altris vd Adam Dahlquist.
Hållbara komponenter
För att skapa vad som enligt Altris och LiFeSiZE är den mest hållbara högpresterande battericell som tillverkats har utöver katodmaterialet även hållbarheten hos de andra komponenterna förbättrats drastiskt jämfört med i litiumjonbatterier.
Till exempel används i stället för grafit, som bryts i gruvor, ett hårt kolbaserat anodmaterial som görs av biomassa från antingen pappersindustrin eller kokosnötskal. Den icke-brandfarliga elektrolyten är fri från fluor och består av vanligt förekommande ämnen. Det bindemedel som används för anoden och katoden är biobaserat och den vattenlösliga ytbeläggningen eliminerar behovet av den giftiga kemiska föreningen NMP. Till skillnad från andra batterier tillför battericellen inte heller någon koldioxid till atmosfären när den återvinns.
Altris och LiFeSiZE har både tagit fram en battericell på 300 milliamperetimmar, som genomgått mer än 100 laddningscykler, och en battericell på 800 milliamperetimmar, som fortfarande testas. Eftersom battericellerna lämpar sig väl för bland annat storskalig energilagring planeras efter att de optimerats även större battericeller på upp till 10 amperetimmar, med ännu högre energidensitet och en livslängd på mer än 500 laddningscykler.