Batterirevolusjonen er her

Solid state og silisiumbatterier kommer for å overta…

 

Så sant som jorden går rundt solen, så får vi raskere prosessorer, bedre mobiler og kraftigere datamaskiner hvert eneste år. Utviklingen står aldri stille i elektronikkbransjen.

Bortsett fra i ett segment. Det har nemlig skjedd flaut lite innenfor oppladbare batterier, siden markedet så sine første litium-ion-batterier i 1991, signert Sony. Disse ble raskt allemannseie, på grunn av sine fordeler over sin forgjenger nikkel-kadmium. Vi snakker 2,5 ganger energitettheten og nesten en dobling av levetiden. Det var et kvantesprang av dimensjoner.

Spol frem nesten tretti år, og hva har skjedd? Fint lite. Man har riktignok maksimert teknologien i løpet av denne tiden, men likevel bare klart å øke energitettheten med mindre enn 3 prosent (fra 370 til 380 Wt pr kg) siden starten.

 

Innovasjonen ligger i stedet i å lage bedre og mer energieffektiv elektronikk, for å øke batteritiden. Og å bygge produkter på en smart måte, som gir plass til et størst mulig batteri. Nyere elbiler er et godt eksempel.

Les: Dette er fremtidens batterier

Batterirevolusjonen starter nå

Men det er ikke slik at forskningen har stått stille. Mange nye materialer og teknologier har vært forsket på, i håp om å finne det neste batteriet som kan forvandle vår elektroniske hverdag.

Nå ser det ut til at arbeidet endelig bærer frukter. Det er spesielt to teknologier som har vist seg som svært lovende: Silisiumanoder og solid state.

 

Solid state

Den ene er batterier i solid tilstand – altså alle ledende materialer er i fast og ikke flytende form. Også kjent som solid state-batterier. Fordelen er at batteriene er mer miljøvennlige og dessuten mye tryggere enn dagens litium-ion-batterier, ved at de aldri vil ese ut eller eksplodere. Ulempen har vært at de ikke har vært effektive nok.

Men i 2017 kunne John B. Goodenough, en av oppfinnerne av litium-ion-batteriene og mottaker av Nobelprisen i kjemi i 2019 for dette arbeidet, vise til et gjennombrudd. Nemlig med et batteri med minst tre ganger energitettheten til dagens litium-ion-batterier. Altså at de holder tre ganger lenger uten å øke størrelsen. Og dessuten lade raskere, og tåle flere ladesykluser. Men dette er i laboratoriet, og har ennå ikke latt seg skalere opp til masseproduksjon. Som så mye annet.

 

Et selskap som hevder å ha løst floken rundt solid state-batterier er QuantumScape. De har Volkswagen som en av sine største investorer, og påstanden er at med deres batterier ville en VW e-Golf kunne øke rekkevidden fra 300 til 750 kilometer, uten å øke størrelsen  på batteriet.

De to selskapene håper å sammen kunne ha åpnet en produksjonslinje med solid state-batterier innen 2025.

Toyota, Nissan og Honda har også slått seg sammen med Panasonic i en gruppe på totalt 23 selskap, som jobber med solid state-batterier til fremtidens elbiler.

Solid state-batterier er en meget lovende teknologi, som vi skal holde øye med i årene som kommer.

 

Silisiumanoder

Men akkurat nå er det en annen batteriteknologi som rulles ut. Nemlig silisiumanoder. Det er ikke snakk om et helt nytt batteri fra bunnen av, men en videreutvikling av litium-ion-batteriet. Det er plusspolen (katoden) som inneholder litiumoksid og som gir batteriet navn. Minuspolen (anoden) er i dag av grafitt, en myk type karbon.

De siste årene har man funnet ut at grafitten i anoden med fordel kan erstattes med silisium. Silisium kan ta til seg energi med en tetthet inntil ti ganger den til grafitt! Og siden det er fullt av silisium i jordskorpen (det er bare oksygen det finnes mer av i bakken), er det billig å få tak i. Og best av alt: man trenger ikke bygge om batterifabrikkene, siden batteriet ellers lages akkurat som før. Man bare bytter ut materialet i anoden.

 

Utvider seg

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 har ligget de siste årene. Den enkleste måten å overkomme problemet på har vært å bare blande en liten dose silisium i grafittanoden. Tesla gjør dette med sine nyeste batterier, og kan dermed hente ut litt ekstra kapasitet. Men ikke veldig mye.

Løsningen

Det har vært forsket mye på hvordan man skal hindre silisiumet i å utvide seg. Nå ser det ut til at løsningen i stedet ligger i å gi stoffet plass til å utvide seg. For eksempel ved å bruke en form for porøst silisium i støvform, slik at tomrommene i materialet kan absorbere utvidelsen.

Klar for masseproduksjon

Et av selskapene som nå endelig er i ferd med å få sine silisiumbatterier masseprodusert, er Enevate. I styret her sitter ingen ringere enn nevnte nobelprisvinner John B. Goodenough, som nå har fylt 97 år.

– Vi bruker elementære silisiumpartikler som opptar mer enn 70% prosent av anoden, helt uten hydrogenforbindelser, kunne Bill Blanning, kommunikasjonsansvarlig for Enevate fortelle undertegnede i en epost.

Enevate hevder at deres batterier vil ha 30-50 prosent høyere kapasitet enn dagens litium-ion-batterier.  I første omgang ser det ut til at teknologien blir å finne i elbiler. Og der hvor dagens batterier fullader på typisk 1 time, skal Enevates batterier kunne lade 75 prosent på bare 5 minutter! Batteriene tåler over 1000 ladesykluser og oppfører seg stabilt ned til under -20 grader. Gode nytt for oss nordmenn!

 

Kommer i elbiler i 2024

På min mail-forespørsel kunne Blanning fortelle at Enevate forventer å se sin teknologi i nye elbiler som ruller ut på veien i 2024-25. Blant deres investorer finner vi Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem og Samsung, blant andre.

Konsumentelektronikk

En annen utvikler av silisiumanoder er Sila Nanotechnologies, som er enda mer håpefulle når det kommer til utrulling av sine batterier med silisiumanoder. Deres batterier hevdes å kunne øke kapasiteten med 20-40 prosent over dagens batterier. Ladingen skal også gå mye raskere, selv om vi ikke har sett noen konkrete tall her.

Blant hovedinvestorene i Sila Nanotechnologies finner vi Daimler (Mercedes) og BMW. Det er likevel i konsumentelektronikk Sila vil rulle ut teknologien først.

Jeg spurte på epost når Sila forventer at de første batteriene kommer på massemarkedet, og svaret var overraskende:

– Deres produkt er for tiden i kvalifiseringsprosessen hos flere kunder, og vi forventer at det lanseres i markedet for konsumentelektronikk i det kommende året, fortalte PR-rådgiver Emmalee Kremer.

Kan du spesifisere?

– Sannsynligvis 2020, men det kan også bli tidlig i 2021.

Av produsenter for hjemmeelektronikk finner vi blant annet Samsung på investorlisten. Betyr dette at den neste flaggskipmobilen til Samsung får det nye superbatteriet?

Blant andre selskaper som jobber med silisiumbatterier finner vi Angstrom Materials, Advano og Enovix, sistnevnte håper å ha sine første masseproduserte batterier i hyllene i 2022.

Fremtidens batterier kommer nå

Etter å ha brukt de samme batteriene i nesten 30 år, er det nå endelig mye som tyder på at neste generasjon er klar for markedet. I første omgang ser det ut til å bli en videreutvikling av dagens litium-ion-batterier, med silisiumanoder.

Allerede mot slutten av året eller starten på neste, vil vi kunne se de nye batteriene, i produkter som da holder vesentlig lenger og lader raskere.

Deretter kommer turen til elbilene. Disse vil sannsynligvis rulle ut på veiene i 2024-25, hvorpå det også fort kan være en ny batteriteknologi på trappene: nemlig solid state.

Det er fort mulig at tiden da er moden for at elbilene ikke bare konkurrerer mot – men kanskje til og med utkonkurrerer – bensin og diesel. For hvem gidder vel å fylle tanken, når du kan fylle batteriet like fort – og kjøre enda lenger?

 

Forbehold: Artikkelforfatter har aksjer i REC Silicon, en norsk produsent av polysilisium.