Elbilene får superbatterier

I dag er 500 km rekkevidde nært det maksimale for elektriske biler i salg. Om kort tid blir det gjennomsnittlig. De vil dessuten lade raskere. Mye raskere. Om fem-ti år kan du få 400 km rekkevidde på bare 5 minutters lading! Men det krever ny batteriteknologi.

Verden trenger enormt med batterier

Etter hvert som stadig flere ting blir elektriske – ikke minst bilene våre – settes det enorme krav til produksjon av batterier. Både mengden produserte batterier, men også økt kapasitet på cellenivå. Skal alle kjøre elbil, er det viktig at de går lenger og lader raskere, for mindre penger. Dette tvinger frem nye løsninger og teknologier.

I dag er det litium-ion-batterier (Li-ion) i nesten alt. Dette er pålitelige batterier, med lite degradering over tid sammenlignet med eldre teknologier. Men teknologien, som ble lansert på begynnelsen av 1990-tallet, begynner å dra på årene, og det er behov for noe bedre. For eksempel er anoden, altså minus-delen av batterier, en flaskehals som holder på langt færre litium-ioner enn katoden teoretisk kan klare. Og siden ingen konstruksjon er sterkere enn sitt svakeste ledd, er det anoden som bestemmer kapasiteten på hele batteriet.

Elbiler setter krav

Det er elektriske kjøretøy som for alvor vil sette fart i batterirevolusjonen. Mens konsumentelektronikk i 2020 brukte rundt 40 gigawattimer av verdens batterikapasitet, krevde elektriske kjøretøy 3,5 ganger mer: 140 gigawattimer. For å sette ting litt i perspektiv, trenger man bare én stor bilbatterifabrikk for å dekke hele verdensbehovet for konsumentelektronikk. For eksempel Teslas gigafabrikk i Berlin, hvor de planlegger å produsere mer enn 100 GWh i året når den kommer skikkelig i gang.

Kapasiteten må 140-dobles

Men vi trenger mer enn en gigafabrikk eller to for å møte verdens batteribehov, når elbilene for alvor skal ta over for de med forbrenningsmotor. Spol frem til 2030, og vi vil ha behov for ca. 2000 GWh årlig produksjon av batterier på verdensbasis, ifølge prognoser. Det er 14 ganger mer enn i 2020! Men i dette tallet inkluderes fremdeles mange kjøretøy med fossilt brennstoff, som for eksempel hybridbiler. Skal hele verdens bilpark kun gå på strøm innen 2050, må kapasiteten øke til 10.000 GWh for lette kjøretøy – mens den må ytterligere dobles for å inkludere busser og tungtransport. Å øke verdens batterikapasitet med 140 ganger(!) fra 2020 til 2035 virker nesten umulig, men det er nettopp det som må skje, ifølge et opprop signert av en rekke internasjonale energi- og klimaforskere, basert på en god haug med forskningspapirer.

Og nå skjer ting raskt. Bidens USA skal bli utslippsfri sektor innen 2035, og oljegiganten Shell er dømt i Nederland til å kutte sine egne klimagassutslipp med 45 prosent innen 2030. Som betyr at oljegigantene kommer til å satse grønt. Fornybar energi trenger lagring, og det blir i form av batterier på industriell skala. Det vil ytterligere sette krav til batteriproduksjonen.

To teknologier konkurrerer

De siste årene har man forsket på mange nye batteriteknologier, men det ser nå ut til å ha konsolidert ned til to aktuelle teknologier i nærmeste fremtid: Faststoffbatterier (solid state) – som er en ny type batterier – og de eksisterende Li-ion-batteriene men med en ny type anode. Hvor silisium erstatter mye av grafitten, som brukes i dag.

Faststoffbatterier – Den hellige gral

Faststoffbatterier, også kjent som solid state-batterier, er av mange sett på som Den hellige gral innen batterier. Det dreier seg om å bytte ut elektrolytten, som separerer minus fra pluss og som i vanlige Li-ion-batterier er flytende, med en i fast form. Dette for å kunne bruke en anode i rent litium, og unngå den ineffektive grafitten helt.

Faststoffbatterier har enorme fordeler. De kan lagre alt fra 2 til 8 ganger så mye som eksisterende Li-ion-batterier, uten å veie noe mer. De er også langt mer miljøvennlige og mye tryggere, ved å ikke inneholde giftstoffer og at de aldri vil ese ut eller eksplodere. Toyota er blant forkjemperne av faststoffbatterier, og mener at deres kommende batteri med rekkevidde på 500 km kan lades fra 0-100 prosent på 10 minutter!

Blant de som hevder å ha kommet lengst med sine faststoffbatterier er QuantumScape. Med Volkswagen som deres største investor hevder de at er at en bil med 300 km rekkevidde, med deres batterier vil kunne øke til 750 kilometer uten å øke størrelsen på batteriet.

Siste nytt derfra er at QuantumSqape innen årsslutt sammen med Volkswagen skal velge seg en lokasjon for sin batterifabrikk. Mest sannsynlig Tyskland. Håpet er å kunne åpne en produksjonslinje med faststoffbatterier innen 2025.

Andre som satser på faststoff er Toyota, Nissan og Honda, som alle har slått seg sammen med Panasonic i en gruppe på totalt 23 selskap, som jobber med faststoffbatterier til fremtidens elbiler. Og Ford og BMW har investert i oppstartsfirma Solid Power. Ford tror faststoff vil være klart for massproduksjon før tiåret er omme.

Kaldt vann i årene

Å lage stabile faststoffbatterier er slettes ikke uten utfordringer, noe over 40 års forskning uten noe sluttresultat å vise til har vitnet på. Blant annet er det problematisk å få dem til å fungere i temperaturer under 45°C.

Blant de som lenge så ut til å stå foran et gjennombrudd var bilprodusent Fisker. Tidligere i år kom det frem at de har droppet teknologien helt. Til The Verge sa grunnlegger Henrik Fisker:

– Vi brukte lang tid, mange år, på forskning innen faststoffbatterier. Det er en type teknologi hvor du føler du er 90 prosent i mål, du er nesten der, når du finner ut at de siste 10 prosentene er mye vanskeligere enn de første 90. Men det vet du ikke før du kommer til 90 prosent. Da vi nærmet oss en full forståelse av teknologien, skjønte vi at det var mye vanskeligere enn vi hadde forventet i begynnelsen, da vi var veldig begeistret for noen av de tidlige gjennombruddene våre.

Og hva gjelder nevnte QuantumScape, helte en short-seller i april kaldt vann i årene, med sterke påstander om at QuantumScape hadde pyntet på dataene overfor sine investorer. Dette etter samtaler med tidligere ansatte, som alle hevder man er milelangt unna noen løsning:

Har de løst problemene som har stått i veien for faststoffbatteries de siste 50 years, som er hva de hevder? spurte shortseller Scorpion Capital en av de tidligere ansatte om.

– Absolutt ikke. Så mye kan jeg fortelle deg helt sikkert. Svaret på det er absolutt ikke.

Kommer QuantumScape til å ha et produkt i en bil i løpet av de neste 10 årene?

– Absolutt ikke.

Samtaler med andre ansatte vitner om lignende pessimisme.

Likevel er mange optimister rundt teknologien, og Solid Power er blant produsentene som mener de kan starte masseproduksjon i 2026.

Silisiumanoder – den enkleste veien

En annen teknologi, som mange er mer overbevist om, er en hvor man bruker dagens eksisterende Li-ion-prinsipp, men hvor man bytter ut større deler av grafitten med silisium. Silisium kan nemlig holde på ti ganger flere litium-ioner enn grafitt, og dermed tillate et mye mer effektivt batteri. Og best av alt: anodene kan direkte erstatte anoden i dagens batterier, som ellers er identiske. Ingen dyre utskiftinger eller oppgraderinger av batterifabrikkenes produksjonslinjer, med andre ord.

– Om vi skal møte global etterspørsel for elektriske kjøretøy og ha et fornybart system for global energi og transport innen 2050, må den globale batteriproduksjonen øke til 30.000 GWh. Skal vi bruke grafitt-anoder, trenger vi rundt 23 millioner tonn grafitt årlig for å møte denne kapasiteten. Med silisium-anoder trenger vi derimot 5-10 ganger mindre (2-4 millioner tonn) silisium årlig på grunn av den dramatisk høyere kapasiteten pr. kilogram silisium sammenlignet med grafitt.

Dette skrev Craig Weich, Visepresident innen virksomhetsutvikling hos Sila Nanotechnologies i en e-post til meg i februar i fjor.

Men silisiumet har én ulempe, og den er til gjengjeld stor. Nemlig at det utvider seg. Faktisk inntil 300 prosent, når det et fulladet. Dette gir sprekker i konstruksjonen og gjør at batteriet går i stykker etter bare noen få ladesykluser.

Innenfor silisiumanoder er det her forskningen ligger. Den enkleste – og minst imponerende – måten å overkomme problemet på har vært å bare blande en liten dose silisium i grafittanoden. Akkurat nok til å gi en effekt, men uten faren for at silisiumet ikke har nok plass å utvide seg i.

Teslas neste batteri

Tesla bruker allerede litt silisium i sine batterier, for å hente ut litt ekstra kapasitet. Men ikke veldig mye. I Teslas neste generasjon batterier, kalt 4680 etter batteriets bredde og lengde i millimeter, skal mengden økes.

I stedet for eksotisk materiale som for eksempel nanotråder av silisium, eller andre høyrenhets løsninger, vil Tesla i stedet blande inn billig silisium av metallurgisk grad. Normalt bruker man superrent silisium i elektronikk, men Tesla hevder at metallurgisk silisium gir mye billigere batterier, som er viktig for å få ned prisene på elbiler.

Rekkevidden på kjøretøyene vil øke med 16 prosent, i følge Tesla. Beskjedent, og ganske sikkert ikke endestasjonen for Tesla hva batteriutvikling angår.

Europeisk- og amerikansk-produserte Model Y blir første bilmodell ut med Teslas nyeste batteri.

Superrene anoder

Andre aktører har mer tro på å bruke silisium av reneste type, og heller løse problemene med utvidelse. For eksempel ved å bekle silisium-atomene med et nanobelegg, som hindrer utvidelse under lading.

Blant de som hevder å ha lyktes er Enevate, som har utviklet anoder med mer enn 70% silisium, og som hevder 30-50% høyere batterikapasitet sammenlignet med dagens Li-ion-batterier. Enevate forventer å se sin anodeteknologi i biler på veiene i 2024-25. Blant investorene er Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem og Samsung.

En annen utvikler er nevnte Sila Nanotechnologies, som er like håpefulle når det kommer til utrulling av teknologien. Deres batterier hevdes å kunne øke kapasiteten med 20-40 prosent over dagens batterier. Blant hovedinvestorene er Daimler (Mercedes) og BMW.

Det er likevel i konsumentelektronikk Sila vil rulle ut teknologien først, og det skal allerede nå være produkter på trappene med Sila-teknologi på innsiden. Noe de bekreftet til undertegnede på en e-post i februar i år.

Hvilke produkter sier ikke Sila noe om, men vi vet at Xiaomi allerede er ute med sin flaggskipmobil Mi 11 Ultra med silisium/oksygen-anode i batteriet. Mon tro om det er Sila-teknologi der i gården?

Interessant nok, mens Volkswagen-gruppen støtter faststoffbatterier, har dattermerket Porsche offentliggjort at de vil satse på silisiumanoder.

Andre produsenter er også på gang, blant annet Group 14, som også hevder å ha løst ekspansjonsproblemet og som allerede har bygget en fabrikk for kommersiell skala for anoder til forbruksbatterier. Innen utgangen av året håper de å ha startet utbyggingen av en langt større fabrikk, til anoder for bilbatterier.

Blant de største investorene her finner vi BASF og kinesiske Amperex (ATL) – en av verdens største batteriprodusenter. OneD, Enovix, Amprius Technologies og Nexeon er noen av de andre aktørene innen silisiumanoder.

Konsumentprodukter nå, kjøretøy i 2025

Vi har altså sett de første annonserte konsumentproduktene med silisiumanoder. Det vil bare blir flere. Det satses mot kjøretøy i 2024-25. Kort tid etter dette håper faststoffleiren å få ut sine batterier.

Pr. i dag ser det ut til å helle mot at silisiumanoder kan vinne kappløpet for denne gang. Men det vil ikke ende med dette. Faststoffbatterier kan endelig se problemene løst, og det finnes også helt nye teknologier som kan være brukbare. Hva med å bytte ut litiumet helt, til fordel for aluminium-ioner?

Uansett hva slags batterier vi får, vil vi trenge en ufattelig mengde av dem i fremtiden, for det ser ikke ut til at det er noen vei tilbake nå. Verden blir elektrisk, og dermed basta!

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.