– Faststoffbatterier er et falskt håp

Sila Nanotechnologies er en innovatør innen batterier, og har kommet så langt i sin utvikling av en spesiell anode med silisium, at de nå er klare for masseproduksjon. Denne vil gi dagens litium-ion-batterier økt energitetthet og raskere lading, og i den forbindelse har jeg intervjuet Craig Weich, visepresident innen virksomhetsutvikling. Et lite utdrag av intervjuet ble brukt i artikkelen Elbilene får superbatterier, men intervjuet var så interessant, at vi her deler hele.

Hva er de viktigste utfordringene med dagens batteriteknologier?

– Batterier har alltid innebåret kompromisser. Mange ganger kan nye teknologier som virker lovende i ett ytelsesområde, forårsake problemer i et annet – som har holdt de fleste innovasjoner i universitetslaboratoriene. De viktigste innovasjonene er de som kan forbedre flere parametere for ytelse samtidig, uten å redusere allerede glimrende ytelse på andre områder.

De teoretiske grensene for et batteris ytelse er alltid begrenset til hovedbestanddelene: anoden, katoden, elektrolytten og separatoren. Den praktiske realiseringen av ytelsesmålene, er derimot begrenset til dyktighet innenfor utvikling og produksjon.

Hva er fordelen med anode av silisium?

– Silisiumanoder er på kort sikt det aller største gjennombruddet innenfor litium-ion-batterier, som vil påvirke industrien. Tradisjonelle grafittanoder er det svakeste leddet i et batteri, og tar mer plass enn noen annen komponent. Silisiumanoder er derimot i stand til å dramatisk øke energitettheten, som betyr samme mengde energi i et mindre fotavtrykk, eller betydelig mer energi i et batteri av samme størrelse. I applikasjoner som for elektriske kjøretøyer har silisiumanoder potensial til å redusere kostnadene ved Li-ion-batterier betydelig.

Som vel også har betydning for miljøet når industrien skal produseres i storskala?

– For å oppfylle den globale etterspørselen etter elbiler innen 2050 og dessuten et energi- og transportsystem basert på fornybar energi, må den globale batteriproduksjonen vokse til 30.000 GWh kapasitet. Ved å bruke grafittanoder trenger vi årlig 23 millioner tonn grafitt for å støtte denne kapasiteten. Med silisiumanoder trenger du imidlertid bare 10-20 prosent (2-4 millioner tonn) silisium årlig, på grunn av den dramatisk høyere kapasiteten per kilo silisium sammenlignet med grafitt.

Hva er energitettheten til Sila Nanotechnologies’ batterier?

– I dag leverer Sila Nanos proprietære silisiumbaserte anodemateriale en demonstrert 20 prosent økt energitetthet, i forhold til tradisjonell toppmoderne Li-ion, med fremtidig potensial til en 50 prosent forbedring.

Dere trenger vel en vanvittig mengde silangass (som innsatsfaktor) for å fremstille deres spesielle nanosilisium. Vil dette bety noe for deres valg av plassering av den kommende fabrikken?

– Sila Nano har startet prosessen med valg av tomt i Nord-Amerika, med planer om å kunngjøre en lokasjon innen utgangen av året.

Jeg leste et sted at dere vil begynne å bygge fabrikken for anoder til bilindustrien i 2024. Hvor lang tid tar det å bygge et slikt høyteknologisk anlegg? Med andre ord: når ser du for deg at fabrikken deres er oppe og går?

– Sila Nano har som mål å starte produksjonen på det nye anlegget i 2024, og drive biler og hundrevis av millioner forbrukerenheter innen 2025.

På denne tiden i fjor trodde dere at de første batteriene deres ville være i forbrukerelektronikk i begynnelsen av 2021, og i kjøretøy i 2024/25. Hva er deres nye estimater?

– Disse estimatene stemmer fremdeles.

Hvis og når faststoffbatterier kan masseproduseres, ser du en fremtid der de to teknologiene lever side om side – eller vil den ene teknologien utkonkurrere den andre?

– Sila Nanos med-grunnleggere tok opp dette emnet i vår nylige produktbeskrivelse (white paper). Li-ion vil ikke være alt, men Li-ion vil være alt som betyr noe. Ikke-Li-ion-kjemikalier kan finne nisjeapplikasjoner, men vil forbli små i relativ skala til Li-ion-teknologi.

I produktbeskrivelsen kaller dere faststoffbatterier et «falskt håp»?

– Når det er sagt, ville vi for el-kjøretøy-revolusjonens sak gladelig ta feil om faststoff. Verden trenger bedre batterier, og hvis driftige forskere og ingeniører finner måter å løse disse utfordringene på, og senke prisen til 50 dollar pr. kWh og transformere energisektoren, vil vi gjerne heie på deres tekniske suksess mens vi konkurrerer i det samme markedet.

Ladeinfrastrukturen for en helelektrisk bilpark må bli massiv! Er det virkelig mulig å lage infrastrukturen som trengs? Og kan vi komme dit uten atomkraft?

– Innovasjonene som kommer i løpet av det neste tiåret, som beveger oss fra konvensjonelle Li-ion- til avanserte Li-ion-celler, vil få en betydelig akselererende effekt på elektrifiseringen av all bakketransport. Vi har allerede sett en vekst i det globale EV-salget i området 30-50 prosent årlig siden 2011 – og vi forventer å se denne utrolige veksten fortsette. Med 2.000 GWh årlig kapasitet i 2030 vil verden kjøpe 20-30 millioner plug-in-biler (avhengig av batteristørrelser). Det vil ta lengre tid å få 100 prosent av nye biler til å være elektriske, og deretter et tiår til å bytte ut biler med forbrenningsmotor som allerede er i omløp, så det er praktisk talt usannsynlig at vi har 100 prosent elektriske biler på veien innen midten av århundret.

Ser vi utover 2030, trenger vi omtrent 10.000 GWh for å transformere all lett transport, og en tilsvarende kapasitet for å dekke lastebil, buss og annen mellom- og tungtransport innen midten av århundret. Legg til kravene for industribatterier som trengs for å legge om el-nettet til 100 prosent fornybar energi, sammen med global utvikling og stadig økt etterspørsel av elektrisitet og transport, og det er sannsynlig at det globale behovet for Li-ion-lagring vil nå 30.000 GWh i midten av århundret med en markedsskala på 1 billion (am. trillion) dollar i året. Hvis vi er heldige nok til å se energilagring nå denne skalaen, vil vi ha forvandlet økonomien – både energi og transport – fra en karbonintensiv drivstoffkilde til en bærekraftig 100 prosent fornybarbase.

For å oppfylle denne fremtiden, må vi ikke bare fokusere på innovasjon, men på innovasjon i store skalaer. For å nå denne 30.000 GWh kapasiteten ved å bruke dagens komponenter, kan vi beregne behovene til hver komponent etter vekt per år:

• Med grafittanoder trenger vi omtrent 23 millioner tonn grafitt årlig for å støtte denne kapasiteten
• Med silisiumanoder trenger du derimot bare 10-20 prosent (2-4 millioner tonn) silisium årlig, på grunn av den dramatisk høyere kapasiteten per kilo silisium sammenlignet med grafitt.
• Med nikkel-kobolt-aluminum- eller nikkel-mangan-aluminum-katoder, forutsatt 90 nikkel og 5 prosent kobolt, ville industrien kreve 1,2 millioner tonn kobolt og 22 millioner tonn nikkel.

Disse tallene er veldig store og burde få oss til å forplikte oss til en vei hvor man kan oppnå denne skalaen, med tanke på miljø og bærekraft i dag, ved å bruke gjenbruk der vi kan og resirkulere der det ikke er mulig. Som referanse bør vi også huske at vi trekker ut omtrent 12 millioner tonn olje, 21 millioner tonn kull og 7 millioner tonn naturgass fra jorden hver eneste dag mens batterimaterialet det her er snakk om er på årlig basis.

Er det nok jordmetaller å mine ut, til at alle biler (og etterhvert skip og fly) kan bli elektrifisert?

– Mens mengden grafitt og silisium som trengs ikke er en reell utfordring fra et globalt perspektiv rundt ressursknapphet, vil kobolt- og nikkelmengden bli en utfordring. For tiden produserer verden 150 tusen tonn kobolt og 2,5 millioner tonn nikkel pr. år for flere applikasjoner i forskjellige bransjer som også opplever vekst (magneter, superlegeringer, stål, romfar osv.). De totale kommersielt tilgjengelige verdensreservene er begrenset til 1,5 millioner tonn for høyverdig (relativt billig å mine ut) kobolt og 36 millioner tonn for klasse 1 (batterikvalitet) nikkel. Basert på forventet etterspørselsvekst kan vi se en betydelig mangel på disse metallene og en resulterende betydelig prisøkning på så lite som ti år. Når det er sagt, kan dette problemet løses med nye materialinnovasjoner. Nye silisiumanoder vil muliggjøre nye kjemimuligheter i katoden, og jeg tror de mer sjeldne nikkel og kobolt til slutt kan erstattes av langt mer tilgjengelig jern og muligens kobber.

Hvor ser du batterier om fem år? Ti? Med tanke på energitetthet, hvor stor del av bilparken vil være elektrisk, og hva med skip og fly?

– Fremtiden for energilagring, avanserte Li-ion-batterier og elektriske biler er utrolig lys. Det er enorme muligheter for innovasjon innenfor kjemi- og materialområdet til å lage vesentlig bedre Li-ion-komponenter som kan brukes i både eksisterende batterifabrikker, og de mange fabrikkene som skal bygges rundt i verden i det neste tiåret. Realiteten er at et Li-ion-batteri som både kan levere på 50 dollar pr. kilowattime, hurtiglading, 10.000+ sykluser, 1 million miles og over, et 30 års kalenderliv, og samtidig lages av vidt tilgjengelige råvarer som finnes over hele verden og resirkulert, er innen rekkevidde i løpet av de neste 10 årene. Etterspørselen etter et slikt batteri vil være rekordstore, så høyt som 30.000 GWh årlig innen midten av århundret, ettersom verden forvandles fra en fossil drivstoffbasert økonomi til en helt sol- og vinddrevet.

Det vil også være betydelige muligheter for elektrifisering av sjø- og luftfart, men på langt mindre nisjenivåer enn for bakketransport. Lokale ferger kan og vil bevege seg mot elektrifisert drift på grunn av lavere driftskostnader. Innen luftfart vil tilkomsten av elektriske vertikale start- og landingssystemer (e-VTOL) for lokal transport ikke bare erstatte konvensjonelle helikoptre, men til og med begynne å utvide størrelsen på markedet. Dette ved å senke driftskostnader og dessuten resultere i en grunnleggende tryggere design, med et multimotorsystem og et avansert elektrisk system. Hva strømnettet angår er den forventede effekten tydelig – vår 2030-visjon for det avanserte Li-ion-batteriet vil muliggjøre 100 prosent fornybar energi ved å løse hoveddelen av problemet rundt opphold av energitilførsel fra sol og vind. En battericelle som tåler 10.000 sykluser og 30 års levetid, med en kostnad på 50 dollar / kWh, vil fungere med alle sol- og vindinstallasjoner. Dette vil gjøre den daglige og kanskje flere dagers opphold av energitilførsel et ikke-tema. Det vil fortsatt være et behov for å sikre at fornybar energi, i svært sjeldne tilfeller, ikke forårsake opphold på en ukentlig basis. Her vil kanskje en annen, langvarig energilagringskjemi være passende. Li-ion vil likevel utgjøre størstedelen av lagringen på strømnettet ettersom de daglige behovene er langt større.

(Artikkelbilde: Sila Nanotechnologies)

Forbehold: Artikkelforfatter har aksjer i REC Silicon, en norsk/amerikansk produsent av polysilisium og silangass.

Geir Gråbein Nordby

(f. 1978): Journalist. Gråbein har aldri hatt noen heltidsjobb før Lyd & Bilde. Her har han til gjengjeld vært nesten halvparten av sitt liv, helt siden han i 2001 sendte jobbsøknaden til feil adresse (han ville opprinnelig til et innspillingsstudio ved samme navn). Gråbeins ekspertise er hovedsakelig innenfor hi-fi, hodetelefoner og hjemmekino, men det hender han glimter til med andre kvaliteter.