Nyheterna duggar tätt om genombrott i batteriforskningen, men allt tyder på att litiumbatterierna kommer att dominera länge än, säger Kristina Edström, med färskt uppdrag av EU att utforma ett långsiktigt storskaligt forskningsprojekt som ska skapa en road-map för framtidens batteriforskning.

Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet och chef för Ångström Advanced Battery Centre (ÅABC), rekommenderar alltså ett mått av skepsis i nyhetstolkningen gällande ”superbatterier”.

”Vad menas med ett superbatteri? Ska du ge ett batteri hög energimängd i en liten volym, och batteriet samtidigt ska ha en livslängd uppåt 30 år och kunna laddas upp och ur tiotusentals gånger och batteriet dessutom ska ha väldigt hög säkerhet, då står du inför en riktig utmaning”, säger hon.

I dag klarar de bästa batterierna energilagring motsvarande omkring 0,25 kWh/kilo. Det är knappt en femtiondel av energitätheten hos bensin, 13 kWh/kilo.

Hur fort kan batteriutvecklingen gå?

”För ett svar måste du göra klart vilken aspekt du syftar på. Om fem år kan du i något avseende få något som kanske är dubbelt så bra, om tio år något som är betydligt bättre. Men det är alltid kemin i batteriet som bestämmer, du kommer aldrig förbi den.”

”Batterikemi är komplicerad och stegen många i processen från labb till färdig produkt. Även om allt fler forskar inom området och intresset från företag är större än någonsin, kommer vi inte ifrån att det är oerhört många parametrar som styr ett batteris funktion”, säger Kristina Edström.

Frågan är dessutom större än kemin. Går det till exempel att para ihop batteriet med förbättringar på elektroniksidan, för att minska behovet av kraftiga strömpulsar eller behovet av stora energimängder? Och vad ska batteriet användas till?

”För storskalig lagring behöver batteriet kanske inte klara så stora energimängder, kanske bör i stället lång livslängd på batteriet prioriteras. På transportsidan behövs snarast batterier som är små och kompakta och levererar mycket, samtidigt som de måste vara prismässigt överkomliga, återvinningsbara, miljövänliga och säkra, eftersom det är människor som ska transporteras”

Allt tyder enligt Kristina Edström på att litiumbaserade batterier kommer att dominera i vart fall 10-15 år framåt i tiden.

Samtidigt återstår mycket utvecklingsarbete också i fråga om litium-jon-tekniken (där den vanligaste varianten är en anod av grafit, medan katoden bygger på blandningar av litium, nickel, mangan och kobolt). En fördubbling av kapaciteten bör kunna nås genom ingenjörsmässiga åtgärder och rätt sorts kemisk bearbetning av nya material, tror Kristina Edström.

En alternativ batterivariant bygger på att litium används som anod och svavel som katod.

”Svavel har fördelen att vara billig. Men med litium som den negativa elektroden följer en svårbemästrad kemi med olika slags sidoreaktioner. Jag tvivlar på att litium-svavel-batterier blir ett intressant alternativ för fordon. Man trodde nog att det skulle gå snabbare att få fram kommersiella produkter än vad det gör.”

Även varianten litium-luft-batterier, som skulle kunna öka energitätheten 5-10-faldigt, har visat sig vara en svårframkomlig väg, genom en reaktiv batterimiljö, svår att kontrollera.

Två alternativ till litium är magnesium och natrium, båda vanligt förekommande och förhållandevis enkla att hantera.

”Magnesium har fördelen att vara en multivalent metall [kan bära två laddningar per atom, jämfört med en hos litium] och ger därför mer volymetrisk energi [effekt per enhet volym]. De olösta frågorna gällande denna batterityp är att hitta tillräckligt bra elektrolyter parat med bättre material för pluspolen.”

Med natrium kan batterier göras nästan lika energitäta som dagens litiumbatterier. Nackdelen är att färre elektrodmaterial än för litium fungerar ihop med natrium.

Kristina Edström tror ändå att natriumbatterier kan vara nästa kemi som kommersialiseras, i synnerhet den som riktas mot energibranschens behov av att storskaligt lagra el.

Gränser i batteriutvecklingen sätts också av tillgängligheten av och kostnaderna för batterimetallerna. Räknar man på förslagsvis en miljard elbilar i världen, vardera med ett 200 kilograms batteri (Teslas batterier ligger på 500-700 kg), krävs i storleksordningen 8 miljoner ton litium, att jämföra med de 16 miljoner ton som enligt US Geological Survey är rimligt utvinningsbara (uppgift från 2018).

Då ska beaktas att elbilar bara utgör en mindre del av användningsområdet för litiumbatterier (i år drygt 20 procent, 2025 omkring 40 procent, enligt en Bloombergprognos).

”Till sist når vi en punkt där frågan om återvinning måste lösas, i dag är det inte tillräckligt lönsamt”, säger Kristina Edström.

Gäller frågan storskalig energilagring behövs en oerhörd batterikapacitet. Ett räkneexempel baserat på lagring av 10 procent av världens dagliga elproduktion (c. 70 TWh/dag) landar på enorma batterivolymer, där nya litiumfyndigheter behöver utnyttjas, om annan batteriteknik inte fås fram.

Frågan om ellagring har dessutom en rad andra aspekter. I vilken mån kommer elsystemet att vara distribuerat? Kommer bränsleceller att ha en roll? Vilken är relationen mellan behovet av kortidslagring och långtidslagring?

”Det är ruggigt komplext. Forskare brinner ofta för en teknik och jobbar med den dag och natt och vill att världen ska satsa på den. Men här behövs kunskaper också om systemtänkande, det är en helt annan disciplin. Saken krånglas även till av att det system som passar bäst för Skandinavien, med vår energimix, kanske inte lämpar sig för andra länder.”

Att orientera rätt i det informationskrig som uppstår när ”alla kör med sin baby, vindkraftslobbarna, solcellskramarna, batterikramarna”, gör heller inte saken lättare.

”Historiskt vet vi dessutom att allt inte kan förutses. Peak oil var ett etablerat begrepp, tills plötsligt skiffergasen dök upp och förändrade frågeställningen fullständigt. Det kanske händer något sådant också i batterifrågan”, säger Kristina Edström.

***

FOTNOT
Artikeln baserad på föreläsning och intervju i samband med InnoEnergys utbildning ”Battery Storage Masterclass”.