genomsnittet. Dessutom kommer de att laddas snabbare. Mycket snabbare. Om fem, tio år kan du få 400 km räckvidd på bara 5 minuters laddning! Men det kräver ny batteriteknik.
Världen behöver enorma mängder batterier
I takt med att allt fler saker blir elektriska – inte minst våra bilar – ställs enorma krav på produktionen av batterier. Både på mängden tillverkade batterier och på högre kapacitet på cellnivå. Om alla ska köra elbilar är det viktigt att de går längre och laddar snabbare, för mindre pengar. Detta tvingar fram nya lösningar och tekniker.
I dag sitter det litiumjonbatterier (Li-ion) i nästan allting. De är tillförlitliga och försämras inte mycket med tiden om man jämför med äldre tekniker. Men litiumjontekniken, som kom i början av 1990-talet, börjar bli gammal och det behövs något bättre. Till exempel är anoden, alltså minusdelen av batterieret, en flaskhals som rymmer betydligt färre litiumjoner än vad katoden teoretiskt kan hantera. Och eftersom ingen konstruktion är starkare än sin svagaste länk är det anoden som avgör hela batteriets kapacitet.
Elbilar ställer krav
Det är elfordonen som på allvar kommer att få fart på batterirevolutionen. 2020 använde konsumentelektronik cirka 40 gigawattimmar av världens batterikapacitet, men elektriska fordon behövde 3,5 gånger mer: 140 gigawattimmar. För att sätta saker och ting i perspektiv behöver man bara en enda stor bilbatterifabrik för att täcka hela världens efterfrågan för konsumentelektronik. Till exempel Teslas gigafabrik i Berlin, som enligt planerna ska producera mer än 100 GWh per år när den kommer igång på allvar.
Kapaciteten måste bli 140 gånger högre
Men vi behöver mer än en gigafabrik eller två för att klara av världens batteribehov när elbilarna på allvar ska ta över efter de med förbränningsmotorer. Om vi snabbspolar fram till 2030 så behöver vi enligt prognoser en årlig produktion av batterier på cirka 2 000 GWh över hela världen. Det är 14 gånger mer än 2020! Men i den här siffran finns det fortfarande kvar många bilar som kör på fossila bränslen, till exempel hybridbilar. Om hela världens bilpark ska köras på enbart elektricitet före 2050 måste kapaciteten öka till 10 000 GWh för lätta fordon – och fördubblas en gång till för att omfatta bussar och tunga transporter. Att öka världens batterikapacitet 140 gånger (!) från 2020 till 2035 verkar nästan omöjligt, men det är precis vad som måste hända enligt ett upprop som undertecknats av många internationella energi- och klimatforskare och som bygger på stora mängder forskningsresultat.
Och nu går saker och ting snabbt. Bidens USA ska bli en utsläppsfri sektor före 2035 och i Nederländerna har oljejätten Shell dömts att minska sina växthusgasutsläpp med 45 procent fram till 2030. Vilket innebär att oljejättarna kommer att satsa grönt. Förnybar energi behöver kunna lagras och det blir i form av batterier. Detta ställer ännu högre krav på batteriproduktion.
Två konkurrerande tekniker
De senaste åren har det forskats mycket om nya batterier och nu verkar det som om allt handlar om två aktuella tekniker: solid state-batterier – som är en helt ny typ av batteri – och de befintliga litiumjonbatterierna men med en ny typ av anod, där kisel ersätter mycket av den grafit som används idag.
Solid state-batterier – Den heliga graal
Solid state-batterier anses av många vara batteriernas Heliga graal. Det handlar om att ersätta elektrolyten, som separerar minus från plus och som är flytande i litiumjonbatterier, med en i fast form. Detta skulle innebära att man kan använda en anod av rent litium och undvika den ineffektiva grafiten helt.
Solid state-batterier har stora fördelar. De kan lagra allt från 2 till 8 gånger så mycket som befintliga litiumjonbatterier, utan att väga mer. De är också mycket mer miljövänliga och mycket säkrare eftersom de inte innehåller gifter och aldrig kan läcka eller explodera. Toyota är en av förespråkarna för solid state-batterier och hävdar att deras kommande batteri med en räckvidd på 500 km kan laddas från 0–100 procent på 10 minuter!
Ett av de företag som påstår sig ha kommit längst med solid state-batterier är QuantumScape. De har Volkswagen som största investerare och hävdar att en bil som har 300 km räckvidd i normala fall skulle kunna förlänga den till 750 kilometer om den fick ett av deras batterier som är lika stort.
Senaste nytt från QuantumScape är att de före årets slut tillsammans med Volkswagen ska välja en plats för sin batterifabrik. Troligtvis i Tyskland. Förhoppningen är att kunna starta en produktionslinje med solid state-batterier före 2025.
Andra som fokuserar på solid state är Toyota, Nissan och Honda, som alla har gått ihop med Panasonic i en grupp med sammanlagt 23 företag som arbetar med solid state-batterier till framtida elbilar. Och Ford och BMW har investerat i det nya företaget Solid Power.
Kalldusch
Att göra stabila solid state-batterier är inte helt lätt, vilket mer än 40 års forskning utan något definitivt resultat vittnar om. Bland annat är det problematiskt att få dem att fungera i temperaturer under 45° C.
Ett av företagen som länge tycktes vara nära ett genombrott var biltillverkaren Fisker. Men tidigare i år visade det sig att de har lagt ner tekniken helt. Till The Verge sa grundaren Henrik Fisker så här:
– Vi ägnade lång tid, många år, åt att forska om solid state-batterier. Det är en typ av teknik där du känner att du är 90 procent klar, du är nästan framme, när du upptäcker att de sista 10 procenten är mycket svårare än de första 90. Men det vet du inte förrän du kommer till 90 procent. När vi närmade oss en fullständig förståelse för tekniken insåg vi att den var mycket svårare än vad vi hade förväntat oss, eftersom vi var väldigt entusiastiska över några av våra tidiga genombrott.
Och när det gäller ovan nämnda QuantumScape råkade de ut för en kalldusch april när en blanknings-investerare kom med starka anklagelser om att QuantumScape hade förskönat data till sina investerare. Detta efter samtal med före detta anställda, som alla påstår att de är långt ifrån någon lösning:
Har de löst problemen som hindrat solid state-batterier de senaste 50 åren, vilket är vad de hävdar? frågade Scorpion Capital en av de före detta anställda.
– Absolut inte. Så mycket kan jag säga dig säkert. Svaret på det är absolut inte.
Kommer QuantumScape att ha en produkt i en bil under de kommande tio åren?
– Absolut inte.
Samtal med andra anställda vittnar om liknande pessimism.
Ändå är många optimistiska om tekniken. Solid Power är en av tillverkarna som hävdar att de kan starta massproduktion 2026.
Kiselanoder
En annan teknik, som många tror mer på, är att använda den nuvarande litiumjon-principen men byta ut delar av eller all grafit mot kisel. Kisel kan nämligen hålla tio gånger mer litiumjoner än grafit, vilket möjliggör ett mycket mer effektivt batteri. Och bäst av allt: de nya anoderna kan ersätta de gamla i dagens batterier direkt, eftersom de i övrigt är identiska. Inga dyra utbyten eller uppgraderingar av batterifabrikernas produktionslinjer, med andra ord.
– Om vi ska möta den globala efterfrågan på elfordon och ha ett förnyelsebart system för global energi och transport före 2050 måste den globala batteriproduktionen öka till 30 000 GWh. Om vi ska använda grafitanoder behöver vi ungefär 23 miljoner ton grafit årligen för att klara av den kapaciteten. Med kiselanoder behöver vi å andra sidan 5-10 gånger mindre (2-4 miljoner ton kisel per år) på grund av den markant högre kapaciteten per kilo kisel jämfört med grafit.
Så skrev Craig Weich, vice VD för affärsutveckling på Sila Nanotechnologies, i ett mejl till mig i februari förra året.
Men kisel har en nackdel, och den är stor. Nämligen att materialet utvidgar sig. Faktiskt med så mycket som upp till 300 procent när det är fulladdat. Detta orsakar sprickor i konstruktionen och får batteriet att gå sönder efter bara ett par laddningscykler.
Det är detta forskningen om kiselanoder har ägnat sig åt de senaste åren. Det enklaste – och minst imponerande – sättet att lösa problemet har varit att bara blanda i en liten mängd kisel i grafitanoden. Tillräckligt för att ge lite högre effekt, men utan risk för att utvidgningen inte får plats.
Teslas nästa batteri
Tesla använder redan lite kisel i sina batterier för att få ut lite extra kapacitet. Men inte så mycket. I Teslas nästa generation batterier, som heter 4680 efter batteriets bredd och längd i millimeter, ska mängden ökas. I stället för exotiska material som nanotrådar av kisel eller andra lösningar med hög renhet ska Tesla blanda i billigt metallurgiskt kisel. I normala fall används superren kisel i elektronik, men Tesla hävdar att metallurgiskt kisel ger mycket billigare batterier, vilket är viktigt för att sänka priserna på elbilar. Enligt Tesla kommer bilarnas räckvidd att öka med 16 procent. Blygsamt, men garanterat inte slutstationen för Tesla när det gäller batteriutveckling.
Den europeisk- och amerikanskbyggda Model Y blir den första bilen som har Teslas senaste batteri.
Superrena anoder
Andra aktörer tror mer på att använda kisel av renaste typ och hellre lösa problemen med utvidgning. Till exempel genom att belägga kiselatomerna med ett nanoskikt som förhindrar utvidgningen när batteriet laddas. Ett av företagen som påstår sig ha lyckats är Enevate, som har utvecklat anoder med mer än 70 % kisel och som hävdar 30–50 % högre batterikapacitet än dagens litiumjoner. Enevate förväntar sig att se sin anodteknik i bilar på vägarna 2024–25. Bland investerarna finns Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem och Samsung.
En ett annat företag är ovan nämnda Sila Nanotechnologies, som är ännu mer hoppfulla när det gäller att rulla ut sina batterier med kiselanoder. Deras batterier påstås kunna öka kapaciteten med 20-40 procent jämfört med nuvarande batterier. Några av de största investerarna är Daimler (Mercedes) och BMW. Men det är inom konsumentelektroniken som Sila kommer att lansera tekniken först och det ska redan nu finnas produkter på väg med Sila-teknik på insidan. Vilket företaget bekräftade till mig i ett mejl i februari i år.
Sila avslöjar inte vilka produkter, men vi vet att Xiaomi redan har släppt sin flaggskeppsmobil Mi 11 Ultra med kiselanod i batteriet. Undrar om det finns Sila-teknik där?
Intressant nog har Porsche meddelat att de tänker satsa på kiselanoder, medan moderbolaget Volkswagen stöder solid state-batterier.
Andra tillverkare är också på gång, bland annat Group 14, som också hävdar att de har löst utvidgningsproblemet och som redan har byggt en fabrik i kommersiell skala för anoder till konsumentbatterier. Innan året är till ända hoppas de ha startat byggandet av en mycket större fabrik för anoder till bilbatterier. Bland de största investerarna här hittar vi BASF och kinesiska Amperex (ATL) – en av världens största batteritillverkare. OneD, Enovix, Amprius Technologies och Nexeon är några av de andra aktörerna inom kiselanoder.
Porsche går imot moderselskapet Volkswagen, som satser på faststoffbatterier. Porsche vil heller ha silisiumanoder. Foto/ill: 4Kwallpapers.com
Konsumentprodukter nu, fordon 2025
Vi har alltså sett de första presenterade konsumentprodukterna med kiselanoder. Det kommer att bli fler. Tillverkarna satsar på 2024-25. Strax därefter hoppas solid state-tillverkarna bli klara med sina batterier.
I dagsläget verkar det som om kiselanoderna har kommit längst. Men det slutar inte här. Solid state-batterierna kan äntligen få sina problemen lösta, och det finns också helt andra tekniker som kan användas. Vad sägs om att byta ut allt litium helt, mot aluminiumjoner?
Oavsett vilken typ av batterier vi får så kommer vi att behöva en ofattbar stor mängd av dem i framtiden, för nu verkar det inte finnas någon väg tillbaka. Världen blir elektrisk och därmed basta!
Reservation: Artikelförfattaren har aktier i REC Silicon, en norsk-amerikansk tillverkare av polykisel och kiselhydrid.
