Nickelrika batterier – så löste ingenjörerna brandrisken

2020-02-20 06:00  

För att minska koboltberoendet går bil- och batteritillverkarna mot allt högre andel nickel i litiumjonbatterierna. Nickelrika kemier har tidigare ansetts allt för brandfarliga. Men tack vare intensiv forskning tycks ingenjörerna ha löst problemet.

Nya och ”revolutionerande” batterier i all ära – det vanliga litiumjonbatteriet genomgår fortfarande omfattande utveckling och förbättring.

En av de starkast bidragande orsakerna är kobolten, en problematisk metall som kopplats till barnarbete i Kongo-Kinshasa. Ungefär två tredjedelar av den totala världsproduktionen är förlagd till det fattiga och korruptionshärjade landet.

En annan orsak är jakten på ökad energitäthet för att ge bilarna tillräcklig räckvidd. För det behövs en allt högre andel nickel i battericellens katod.

NCM 811 – industrins lösning

En stor del av industrins lösning på utmaningen har kommit att stavas NCM 811. NCM betyder att katoden är uppbyggd av de tre övergångsmetallerna nickel (Ni), kobolt (Co) och mangan (Mn). Dessutom innehåller katoden syre, litium och tillsatser (se faktaruta).

Sifferkombinationen 811 beskriver förhållandet mellan övergångsmetallerna, det vill säga åtta delar nickel, en del kobolt och en del mangan (övriga material bortser man från när andelarna anges).

Läs mer: Northvolt: ”Fel att vända Kongo ryggen”

 

811-kemin innebär en stor förändring jämfört med NCM 111 som tidigare var vanligast, och alltså bestod av en del nickel, en del kobolt och en del mangan. På vägen mot 811 har vi dessutom fått se delstegen 523 och 622.

Erik Berg är biträdande universitetslektor på avdelningen för strukturkemi vid Uppsala universitet. Han har forskat på NCM-batterier under många år, bland annat i samarbete med katodmaterialtillverkaren BASF.

– Ända sedan 2014-2015 har det varit starkt fokus på 811. Alla visste redan då att det är den kompositionen som gäller, säger han.

Nickelrika batterikemier ger ökad reaktivitet

Men med nickelrika kemier följer ökad reaktivitet. Mangan och kobolt används eftersom de stabiliserar katodstrukturen och minskar risken för nedbrytning av materialet, termisk rusning och brand.

– Ju mer nickel desto mer reaktivt blir det, både på ytan och inne i materialets egen struktur. Det blir mer och mer komplicerat att hantera, säger han.

 

Sedan omkring 2017 tittar tillverkarna på ännu nickelrikare material, med uppemot 90–95 procent nickel.

– Då förvärras omständigheterna ytterligare. Ingenjörerna får hitta på ännu fler trick för att ta sig runt det, säger Erik Berg.

Det kan bland annat handla om att dopa materialen, alltså lägga till ett störämne för att ändra egenskaperna, eller lägga på ämnen i tunna skikt.

– Vi beställer kommersiella batterier då och då för att titta vad som finns i dem. Det är tydligt att det har skett väldigt mycket ingenjörskonst. En massa parametrar har finjusterats. Vi hittar bland annat en uppsjö olika ämnen, som volfram, titan och aluminium, säger han.

Under förra året började NCM 811-batterier dyka upp på marknaden. Enligt konsultfirman Rho Motion uppgår volymen bland elfordonsbatterier nu till några procent. Även Erik Berg har vid sina dissekeringar börjat stöta på 811-kemin i celler från en rad producenter.

Tesla använder sig av NCA-batterier

Han har även undersökt celler från Tesla Model 3. Tesla har länge stuckit ut i elbilsbranschen eftersom företaget använder NCA-batterier från Panasonic. NCA står för nickel, kobolt och aluminium. Men på samma vis som han hittade låga halter av aluminium i NCM-celler så fann han lite mangan i Teslas NCA-celler. I båda fallen ligger nickelhalten mellan 80 och 90 procent.

– Jag tycker att gränsen mellan NCA och NCM börjar flyta ihop. Båda är så pass nickelrika och har samma typ av skiktade atomstruktur, säger han.

På frågan vilken tillverkare som ligger längst fram menar Erik Berg att samtliga stora spelare i princip är jämsides. Men han nämner ändå Tesla/Panasonic som baserat på hans egna dissekeringar har mest nickel, de mest avancerade beläggningarna och de mest raffinerade elektroderna.

Läs mer: Så mycket bättre batterier krävs för att elflyget ska lyfta

 

– De andra tillverkarna har förmodligen motsvarande lösningar men har kanske inte tagit in dem i sina batterier ännu. Men de är hack i häl, säger han.

Teslas vd Elon Musk skrev på Twitter 2018 att företaget räknar med att nästa batterigeneration inte kommer att innehålla någon kobolt över huvud taget. Erik Berg tror att koboltfria NCM- och NCA-batterier är fullt möjligt.

– Med största sannolikhet ja. Tillverkarna jobbar nu mot 90–95 procent nickel. Vi börjar komma ner på en nivå där kobolt är att betrakta som ett dopningsämne. Den spelar mindre och mindre roll i strukturen. Vid något tillfälle har ingenjörerna förmodligen listat ut hur de ska slippa den helt. De provar allt och intensiteten är så pass hög, säger han.

Bra litiumjonceller närmar sig 300 Wh/kg

Den här ganska omfattande förändringen av litiumjonbatteriet sker utan att konsumenterna märker någon direkt skillnad, förutom att nya elbilar får längre och längre räckvidd. Kring 50 mil är inte ovanligt idag. Riktigt bra litiumjonceller närmar sig i dag en energitäthet på 300 Wh/kg.

Men allt hänger på att ingenjörerna kan bevara stabilitet och säkerhet. Det är ett högt spel. Skulle elbilar börja brinna i högre utsträckning än konventionella bilar skulle det kunna innebära katastrof för den fortsatta utrullningen.

– För tio år sedan skulle jag med säkerhet säga att nickelrika kompositioner innebär en kraftigt ökad risk för brand. Tesla var tidiga med NCA och har kompromissat lite med säkerheten. Men ingenjörerna har genom sitt arbete lyckats förbättra stabiliteten hos nickelrika kemier väsentligt. Biltillverkare vågar därmed ta in dem i bilarna. Samtidigt är det svårt för mig att uppskatta hur stora riskerna är eftersom att de precis har börjat komma ut, säger han.

Läs mer: Northvolt: ”Vi vill vara med i solid state-racet”

Batteritillverkning är en lågmarginalbransch. Lönsamhet handlar därför i mångt om mycket om storskalighet. Den tyska batterikonsulten P3 Group räknar exempelvis med att en cellfabrik i Tyskland måste ha en årlig produktionskapacitet på minst cirka 4,4 gigawattimmar för att bli lönsam.

Svenska Northvolts fabrik i Skellefteå ska som jämförelse ha en kapacitet på 32 GWh när den står klar, motsvarande 640 000 elbilar om året (50 kWh batteri).

811-kemin innebär visserligen fördelar rent ekonomiskt eftersom mängden dyr kobolt minskar. Enligt IVL Svenska Miljöinstitutets uppdaterade batterirapport minskar även energikonsumtionen vid tillverkning med 7 procent och växthusgasutsläppen med 14 procent, jämfört med NCM 111.

811-kemin innebär mer komplicerad tillverkning

Men den höga nickelhalten innebär också att produktion blir mer komplicerad. Det blir svårare att syntetisera (sammanfoga) materialen. Fabriksutrymmen kan behöva förses med en inert (icke-reaktiv) atmosfär för att katodmaterialet inte ska reagera allt för starkt med luften. Erik Berg menar dock att förändringarna är möjliga att göra även i befintliga anläggningar.

– De kommer att se annorlunda ut jämfört med i dag men det handlar inte om några dramatiska skillnader, säger han.

Även om 811-celler redan har börjat monteras i elbilar kan det dröja innan de dominerar marknaden. Konsultfirman Benchmark Mineral Intelligence spår att de kommer att utgöra en fjärdel av alla NCM-batterier som produceras år 2026.

En annan konsultfirma, Lux Research, tror att genomslaget blir större än så och räknar med att nickelrika batterier dominerar elbilsmarknaden redan 2024 (se grafik). Respektive bolags siffror är dock inte jämförbara eftersom de använder sig av olika avgränsningar.

Foto: Jonas Askergren

Även om alla tycks överens om att framtidens batterier kommer att innehålla mindre kobolt så kräver det stadigt växande batteribehovet fortsatt ökning av koboltproduktionen. Världens totala produktion av litiumjonbatterier uppgick i fjol till 455 GWh, enligt Benchmark Mineral Intelligence, som räknar med att den har mer än tredubblats till 2024. Även om 811-kemin får ett kraftigt genomslag kommer koboltbehovet att mångdubblas till dess.

Nuvarande teknik kan fördröja nästa kliv

Intressant nog kan det hårda fokuset på att optimera och förfina litiumjonbatteriet leda till att genomslaget för nästa ”revolutionerande” kemi kan dröja ännu längre. Det investeras just nu enorma summor i batterifabriker världen över. Nuvarande teknik är tillräcklig för att fylla behovet för de flesta personbilskunderna. Nu handlar det mest om att pressa priset. Volkswagen ser exempelvis det som brukar beskrivas som nästa steg, batterier med fastfaselektrolyt (så kallade solid state-batterier), först kring 2030.

Foto: Jonas Askergren

Men precis som att personbilstillverkarnas investeringar i förbränningsmotorteknik lär ha fördröjt övergången till elbilar kan man gissa att de litiumjonfabriker som nu byggs upp kan fördröja övergången till nya kemier, om det inte enkelt går att anpassa fabrikerna.

– Ett språng till en ny kemi kommer att dröja. Men det är svårt att ge en tidsplan. I och med de extremt stora investeringar som nu görs och att det fortfarande går framåt för vanliga litiumjonbatterier kommer det att vara svårt att slå dem kommande tio åren, säger Erik Berg.

 

Fotnot: NCM benämns även NMC. För katodtyperna 111, 622 och 811 spelar ordningen på bokstäverna ingen roll, men för 523 är det lätt att blanda ihop vad som är mangan respektive kobolt. Eftersom NCA- och NCM-kemierna allt mer flyter ihop kan det vara finnas en poäng med att placera C:et i mitten i båda fall.

Fakta: Vad består egentligen katoden av?

Beteckningen 811 kan felaktigt ge intrycket att battericellen innehåller 80 procent nickel. Men det stämmer inte.

En battericell består av anod, katod, elektrolyt, separator och strömledare (ofta aluminium eller koppar).

NCM betecknar katodkemin och står för nickel, kobolt och mangan. Men katoden innehåller även litium, syre samt tillsatser. Trots det anger siffran 811 bara förhållandet mellan nickel, kobolt och mangan – i detta fall 80 procent nickel, 10 procent kobolt och 10 procent mangan. Det går alltså heller inte att säga att katoden består av 80 procent nickel, utan det är mindre än så.

Katoden i en litiumjoncell består till ungefär 90 viktprocent av aktivt material, det vill säga nickel, kobolt, mangan, aluminium, litium och syre. Övriga cirka 10 procent består av lika delar elektronledande kol i form av sot samt bindematerial i form av en polymer som håller ihop elektroden.

Källa: Erik Berg, Uppsala universitet

Fakta: Litiumjonbatterier utan kobolt

Det finns litiumjonbatterier utan kobolt. Tre exempel är litiumjärnfosfat (LFP), litiummanganoxid (LMO) samt litiumtitanat (LTO).

Gemensamt för alla tre varianterna är att de har mycket lägre energitäthet än NCA (nickel, kobolt, aluminium) och NCM (nickel, kobolt, mangan).

LFP har varit och är fortfarande populärt i elbussar, där kravet på låg vikt och volym i förhållande till kapacitet inte är lika avgörande som för elbilar. Tesla överraskade nyligen branschenom att de för diskussioner med CATL om att använda LFP-batterier i sina kinesiska bilar, enligt upppgifter från Reuters.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt