Batteriteknologi – se opptak fra #Klimakvarteret

Se NTNU-forsker Jacob Hadler-Jacobsens presentasjon om batteriteknologi som klimaløsning – og les svarene hans på spørsmålene som kom inn.

Fredag 19. februar inviterte Norsk klimastiftelse til årets første digitale #Klimakvarter. Tema for det 15 minutter lange foredraget til NTNU-forsker Jacob Hadler-Jacobsen var batteriteknologi som klimaløsning.

Nedenfor har vi samlet svar på en rekke spørsmål som kom inn før, under og etter foredraget. Svarene er gitt av Hadler-Jacobsen.

Spørsmål og svar

Ekspert: Jacob Hadler-Jacobsen

Institusjon: NTNU, institutt for materialteknologi

Fagfelt: Batteriteknologi

Jacob Hadler-Jacobsen er sivilingeniør i kjemi – med master i solcelleteknologi. De siste årene har han forsket på batterier og er i innspurten av sin doktorgradsavhandling ved NTNU i Trondheim. 19. februar 2021 deltok han på #Klimakvarteret.

Les mer.

Hva skyldes at litium-ion-batterier er det som dominerer markedet?

Litium er et grunnstoff som har en rekke egenskaper som gjør det spesielt egnet til batteribruk, slik som at det er veldig lett, avgir mye energi når det reagerer og at det ikke er for sjeldent. Det har også veldig gode egenskaper når det kommer til å bevege seg inn og ut av elektrodematerialer uten å sette seg fast.

Hvor mye bedre kan dagens litium-ion-batterier bli?

Tesla har som mål å få 50 % mer energi i batteriene sine per vekt, og dette tror jeg er fullt mulig. Jeg ser heller ikke bort fra at man kan komme opp i 100 % fra dagens kjemi, men mer enn det er jeg veldig usikker på om man lykkes med. Spesielt hvis man samtidig ønsker å kunne lade batteriene opp og ned tusenvis av ganger slik som de beste batteriene i dag. Jeg tror og man vil se mye forbedring på levetiden til batterier, og at man passerer 10 000 opp- og nedladinger på noen typer, og at batteriene kan vare i titalls år.

Hva er faststoffbatterier og kan de revolusjonere batteriteknologien? 

Batterimarkedet i dag er dominert av batterier med flytende elektrolytt/gel-elektrolytt (Li-polymer). Med faststoffbatterier er tanken at man erstatter elektrolytten med et fast materiale. Dette kan øke sikkerheten til batteriet, og det er og mange som tror det kan åpne for å øke energitettheten, og muligens få ned kostnadene på sikt. Men, fast elektrolytt byr på mange utfordringer, og jeg tror nok ikke den vil revolusjonere batteriteknologien. Men her er det andre som er mer optimistiske enn meg.

Hva er det som utgjør kostnadene i et batteri?

Om man skal trekke ut en komponent vil jeg kanskje si katoden, men dette kan variere. Jevnt over vil jeg si at både elektrolytt, katode, anode og «innpakningen» til batteriet utgjør betydelige deler av kostnadene.  Om man er interessert kan man lese kort en analyse jeg gjorde av hva det koster for grunnstoffene man trenger i batterier, men disse tallene kan svinge mye i takt med at metallprisene svinger:
https://www.ntnutechzone.no/2019/01/batterirevolusjon-vil-kunne-gi-rimelige-elbilbatterier/

Hvorfor har batterikostnadene gått så mye ned de siste årene?

Det tror jeg kommer av mange små forbedringer, samt fordelene av storskala-produksjon. Generelt jo mer man produserer av noe, jo billigere blir det. Her kan man lese litt mer om nedgangen i pris:
https://about.bnef.com/blog/battery-pack-prices-cited-below-100-kwh-for-the-first-time-in-2020-while-market-average-sits-at-137-kwh/

Hvordan tror du utviklingen innen batteriteknologi går de neste tre-fire årene?

Jeg tror vi kommer til å se mye det samme som vi har sett de foregående årene. Gradvis forbedring av energitetthet og levetid, gradvis nedgang i kostnad, og at batterikjemiene går mot lavere koboltinnhold. Jeg tror også at litium jernfosfat-batterier vil bli tatt mer i bruk, og at man ser mer av batterier til lagring av (fornybar) kraft og balansering av strømnettet.

Hvilke nye batterityper tror du vi vil se mer av utover 2020-tallet, og hvilke egenskaper har disse?

Li-S, faststoff-elektrolytt, silisium og litium metall er nok det som det snakkes mest om som kommende batteriteknologier. De har alle til felles at de tilbyr mer energi per vekt og/eller volum, men da typisk på bekostning av levetiden til batteriet. Selv synes jeg kanskje det virker mer spennende med videreutvikling av LFP (LMFP for eksempel), og videreutvikling av lav-kobolt og koboltfrie nikkelbaserte-kjemier som LNMO og NCMA. Disse teknologiene vil kanskje ikke utgjøre like store sprang som de førstnevnte, men er til gjengjeld kanskje enklere å lykkes med. Om Li-prisen stiger mye blir det og veldig spennende å følge med på Na batterier og muligens også K og Mg-batterier. Verdt å nevne er også at mange av disse teknologiene kan kombineres. For eksempel kan en se for seg batteri med faststoff-elektrolytt, Li-metall-anode og LNMO-katode

Er noen batterier lettere å gjenvinne enn andre?

Her har jeg begrenset kunnskap, men jeg vet iallfall at vanadium-flow-batteri kan være veldig enkle å gjenvinne. Videre er det også verdt å bemerke at nikkel og spesielt kobolt er forholdsvis dyre metaller, og dette vil nok utgjøre en betydelig drivkraft for gjenvinning utover bare miljøaspektet.

Er det mange som forsker på batteriteknologi i Norge?

Jeg vet at SINTEF og IFE har mye spennende batteriforskning i tillegg til NTNU og UIO. Videre kommer også Morrow og Freyr som skal til med batterifabrikker i Norge nå fremover. Beyonder produserer superkondensatorer. Hydro, Equinor og Panasonic har en intensjonsavtale om å bygge batterifabrikk. Og Siemens i Trondheim setter sammen battericeller til skipsbatteri i Trondheim. Hvor mange forskere det er i disse miljøene til sammen vet jeg ikke, men det begynner å bli et bra miljø for batterier i Norge, og det vokser raskt!

Hvorfor brukes kobolt i batterier – kan man bruke andre råstoffer? Hva med svovel?

Med dagens teknologi kommer man ikke utenom å ha iallfall noen prosent kobolt i katoden hvis man ønsker mest mulig energi, stabilitet og sikkerhet. Dette kommer av de unike egenskapene koboltatomer har. Man kan bruke andre råstoffer, men da vil man typisk ha kortere levetid på batteriene (LNMO og Li-S), eller lavere energitetthet (LFP). Men med videre teknologiutvikling er det ikke umulig at de aller beste batteriene blir koboltfrie.

Hvor mye energi trengs for å lage et 50kWh elbilbatteri?

Et viktig spørsmål, men som det er vanskelig å gi et godt tall på. Det varierer veldig mye fra fabrikk til fabrikk, og fra forskjellige batterikjemier. Artikkelen under gir et estimat på 50-65 kWh energikostnad per kWh batteri. Som igjen blir 2500-3250 kWh for batteriet du nevner. Det kan høres mye ut, men hvis man tar i betraktning at gode batterier i dag kan lades opp og ned flere tusen ganger, så er det lite sammen med all energien som vil ha vært lagret i batteriet i løpet av levetiden. Og om man ser på regnestykker for kombinert solcelle og batterikraftverk så vil det produsere langt mer energi enn det kreves for å lage solcellene og batteriene, som jo er veldig viktig for at det skal ha en miljøeffekt.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7620/ab5e1e

Hvor mye kan dette reduseres fram mot 2025–2030 – anslag?

Jeg kan dessverre ikke nok om produksjonen til å gi noe godt anslag her. Men det kan definitivt reduseres videre, og jeg vet det er mye snakk om forskjellige måter å gjøre det på. Bevisstheten rundt energikostnad og utslipp i produksjon har blitt en helt annen enn det var for 10–20 år siden.

Hvilke av de mest kritiske grunnstoffene til batteriproduksjon finns i Norge?

Dette er litt utenfor mitt fagfelt, men historisk har man hatt både kobber og koboltutvinning i Norge, og det har vært i skrevet i media om muligheter for gruvedrift på kobber og nikkelmalm i Finnmark. Litiumforekomster finnes i Finland. Det å ha tilgang til råstoffer som man vet at er utvunnet på en etisk god og miljøvennlig måte er noe som det er økt fokus på, og jeg tror kombinasjonen av mye god malm og flere batteri-produksjon-initiativ i Norden kan by på store muligheter!

Hvordan ser du for deg utviklingen av superkondensator fremover, forøvrig ikke-kjemisk energilagring?

Dette er litt utenfor fagfeltet mitt, men inntrykket mitt er at det skjer stor utvikling med superkondensatorer, og at man også ser mye spennende hybrid superkondensator-batteri-teknologi, som for eksempel Beyonder har. Samtidig er det også verdt å merke seg at superkondensatorer får økt konkurranse fra batterier som blir stadig bedre på levetid og effekt.

Hvilken batteriteknologi er det Freyr satser på?

Det vet jeg ikke, men jeg har generelt et inntrykk av at mange batteri-initiativer legger vekt på å lage fabrikker som kan tilpasses forskjellige batterikjemier, da det er en såpass rivende utvikling på feltet.

Hva er rollen til grafitt?

Grafitt fungerer som anode (negativ elektrode). Egenskapene som gjør den så populær er at litium i grafitt har nesten samme spenning som litium metall, og at grafitt utvider seg veldig lite når litium går inn i elektroden. Disse egenskapene gjør at man får god relativt god energitetthet og lang levetid på batteriene.

Dagens batterifabrikkane har stort energibehov. Kan ein sjå ei utvikling i retning av mindre energibehov?

Det vil jeg absolutt si. Det er stort fokus på å få ned energibehovet, og også stort fokus på at energien batterifabrikkene bruker skal være fornybar. Summen av disse gjør at batterier i dag har mye lavere miljøavtrykk enn de man hadde for 10 år siden, og enda lavere skal det nok bli. Som en trivia kan jeg også nevne at Norden kan ha en fordel for batterifabrikker, da kald vinterluft er tørr luft, og at en betydelig energiutgift i Li-batterifabrikker typisk er luftavfuktning.

Hva tenker du er fremtiden til vanadium-batterier? Og: Hvor mange batterifabrikker tror du det vil være i Norge om 20 år?

Det er en veldig kul teknologi, men jeg tror nok litium-batterier som f.eks. LFP vil utkonkurrere vanadium flow i stor grad. Dette tror jeg fordi virkningsgraden er litt lav, og at vanadium er et litt dyrt grunnstoff, samt at selv for stasjonære bruksområder er det nok en fordel at lithium batterier har grovt regnet 10 ganger så høy energitetthet. Hvor mange batterifabrikker det vil være om 20 år er vanskelig å si, men man ser jo allerede at man potensielt har 5 aktører som i varierende grad har eller planlegger batterivirksomhet i Norge, med Freyr, Morrow, Equinor/Hydro/Panasonic, Siemens og Beyonder (superkondensator/batteri). Og verden vil trenge mye mer batterier enn det som produseres i dag.

Er det fremdeles en stor utfordring knyttet til umoralsk drift når man henter ut råstoffer til batterier? Hvilke områder er det isåfall som benytter seg av batterier med disse råstoffene?

Dette blir utenfor mitt fagfelt, men så vidt jeg vet er fortsatt betydelige deler av verdens koboltproduksjon fra Kongo. Hvor mye av koboltutvinning i Kongo som er umoralsk vet jeg ikke, men det har iallfall vært rapportert om betydelig problemer knyttet til det. Så jeg vil si det fortsatt er viktig med økt bevissthet rundt opphavet til råstoffer slike som kobolt, både blant forbrukere og produsenter. Det er også verdt å nevne at kobolt brukes andre steder enn i batteri-industrien (kobolt brukes også til legeringer og å farge glass koboltblått blant annet), og at det også er andre konfliktmetaller som gull, tantal og wolfram som det trengs økt fokus på. Når det er sagt er det en stor trend til at batteriprodusenter bruker mindre og mindre kobolt i batteriene sine, og Tesla har blant begynt å produsere noen av sine model 3 med helt koboltfrie batterier. Men det er heller ikke å ta for gitt at man bør helt vekk fra kobolt. Etisk miljøforsvarlig gruvedrift i Kongo kan skape arbeidsplasser og gi inntekter til et fattig land om det gjøres riktig. Så eneste jeg tør å si er at det er viktig med økt fokus på problemstillingen.

Hva med å legge «strøm i veien» og redusere batteristørrelsen til elbiler til en tiendel?

Selv om det høres spennende ut, tror jeg det vil bli for dyrt og krevende å gjøre det.

Vi får ny batterifabrikk i Arendal, med mange nye arbeidsplasser. Men vet noen hvilken kompetanse de da har behov for? Yrkesfag eller ingeniører eller begge?

Der vil jeg tro det blir behov for begge deler!

Det hender at store batterier går i stykker. Er det nok av kompetente folk her i landet til å reparere dem? Eller vil det komme?

Norge begynner å få mange kompetente folk innen batteriteknologi, og flere skal det bli. Så jeg tror ikke det kommer til å bli et problem.

Hvorfor har ikke denne nye teknologien kommet små husholdningsbatterier til gode?

De fleste husholdningsbatterier er ikke oppladbare (kalt primærceller), i motsetning til Li-ion batteriene som lages for å være oppladbare (sekundærceller). Man kan få kjøpt primærcelle Li-batterier i dag, men mange velger nok å heller benytte seg av de alkaliske, da de er billigere og har nok energi til de fleste formål hvor man bruker husholdsningsbatterier.

Har du tro på Solar Windows?

Hadde ikke hørt om de før nå. Tok en rask titt på nettsiden, og ser ut som de prøver å utvikle en type «Dye-sensitized solar cell (DSSC)». Det er spennende teknologi, men jeg fikk ikke et godt inntrykk av måten de presenterte teknologien sin på. Blant annet er det veldig misvisende å antyde at teknologien deres er «durable» på samme måte som silisiumsolceller, og de nevner ikke virkningsgrad. DSSC-teknologi for øvrig er jeg mer positiv til, selv om jeg tror silisiumsolceller vil forbli dominerende på de fleste områder.

En britisk forskergruppe beregnet for et par år siden at for å elektrifisere bilparken bare i Storbritannia trengs det over 207 000 tonn kobolt, 264 000 tonn litiumkarbonat, 7 200 tonn neodym og dysprosium og 2,3 millioner tonn kobber. Det tilsvarte hele verdens produksjon av neodym, to ganger verdens produksjon av kobolt, tre fjerdedeler av verdens produksjon av litium og minst halvparten av verdens produksjon av kobber. Jeg la merke til at du kunne fortelle at kobolt er på vei ut. Men hva med det mer generelle i dette regnestykket? Er det fortsatt relevant, vil du si?

Det er et interessant regnestykke, men jeg vil si det ikke er så relevant og at det kan være litt misvisende, da det gir inntrykk av at råvaretilgang kan gjøre det umulig å elektrifisere verdens bilpark. Kort fortalt tror jeg produksjonen av mange av metallene vil øke i takt med økt etterspørsel og økte priser, og om det blir knapt med noen av råvarene eller prisene blir for høye, så har man alternativer å gå til. Litt lengre forklaring: Bilparken i Storbritannia utgjør om lag 40 millioner biler, mens total årlig bilproduksjon i hele verden er om lag 90 millioner. Derfor vil jeg si det er mye bedre å sammenligne verdens årlige bilproduksjon med den årlige råvareproduksjonen. Da vil det kreves iallfall 50% mer litium enn det som produseres i dag, men det er fullt mulig å øke litiumproduksjonen til å komme det i møte. Neodym og dysprosium antar jeg er for permanent-magnet-elmotorer. Om det skulle bli mangel på de grunnstoffene så kan man lage motorer uten permanent-magneter, selv om de har noe lavere virkningsgrad. Kobber vil det nok trengs mye av, men der og er det mange områder hvor f.eks. aluminium kan brukes istedenfor om kobber skulle bli for knapt/dyrt.

I foredraget ditt sier du at det ikke er stor mangel på fosfor. Men det er det vel, eller er det noe jeg ikke har forstått (jf. denne artikkelen)

Takk for et godt spørsmål! Det har spesielt tidligere vært en del debatt rundt om man vil gå tom for fosfor, og det er og vært å merke seg at artikkelen du linket til er 10 år gammel. Mitt inntrykk er at sultkatastrofe utløst av fosformangel er noe man er mindre bekymret for i dag. Fosfor er det 11. vanligste grunnstoffet i jorden, og alt liv på jorden er avhengig av det, da fosfor blant annet er en av byggeklossene i DNA. Med andre ord, hvert eneste sted man ser at det er liv, om det er i form av dyr, planter eller bare noe så enkelt som lav og mose, så er det også iallfall litt fosfor til stede i jordsmonnet eller berggrunnen. Og det er jo de aller fleste steder. Men dette fosforet er sjeldent økonomisk lønnsomt å utvinne industrielt, da det er forholdsvis lite av det sammenlignet med den beste fosformalmen i verden.

Når det snakkes om at man skal gå tom i for fosfor i artikkelen du linket til, så ser de på hvor mye økonomisk lønnsomt utvinnbart fosfor det er i verden. Og hva som er økonomisk lønnsomt avhenger av fosfor-prisene. Og de vil jeg si er veldig lave sammenlignet med mange andre grunnstoff. For eksempel koster (diammonium-)fosfat om lag 3-4 kr per kg på råvarebørsene, mens kobolt, et langt sjeldnere grunnstoff, koster om lag 500 kr/kg. Om fosfor-prisene stiger, så vil det også bli lønnsomt å utvinne fosfor der det er lavere konsentrasjon av fosfor i berggrunnen, og da vil også estimatene på hvor mye fosfor som er økonomisk utvinnbart øke.

Jeg må derfor si meg uenig i måten forskerne i artikkelen du linker til fremstiller situasjonen. Da fosfor er et så vanlig grunnstoff vil man aldri «gå tom». Det som kan skje derimot er at prisene kan stige når man må ta i bruk fosformalm med lavere fosforinnhold. Om prisen så dobles så vil man ikke merke mye til det i Norge, da fosforprisen til kunstgjødselen utgjør en liten del av prisen vi betaler for maten. Men for de fattigste i verden kan selv en relativt liten endring i matpris utgjøre mye. Derfor er det som alltid viktig å ikke glemme at det fortsatt er mange i verden som må løftes ut av fattigdom.

Et annet viktig poeng er at den tilgangen man har på billig fosfor vil vare mye lengre om man er flinkere til å ikke sløse med den. Og i dag er mitt inntrykk at fosfor er så billig at man til en viss grad iallfall sløser med det. Når man bruker fosfor i landbruket har det med å ende opp i havet til slutt, men dette er mulig å begrense til en viss grad med god kloakkhåndtering som de nevner i artikkelen. Så jeg er enig i at smarte løsninger for å «sløse» mindre med fosfor er en bra ting!

Når det kommer til batterikjemier som bruker fosfat, så har de en fordel at de kan resirkuleres. Dette skiller seg fra fosfatbruken til kunstgjødsel, hvor det er uunngåelig at iallfall en viss mengde havner i havet. Så slik sett har fosfatbruk i batterier mulighet for å være veldig bærekraftig. Men hvor mye fosfor trengs det for elbiler? Jeg sa vel at det var nok fosfor i verden til at alle kunne få seg en elbil. Om man da sier 8 milliarder elbiler, hver med 50 kWh batteri, tar utgangspunkt i litium jernfosfat batterier med 3.2V spenning, at verdens økonomisk utvinnbare fosformalm er 68 milliarder tonn (USGS 2017), med 5% fosforinnhold, så får jeg at man må bruke 4% av verdens økonomisk utvinnbare fosformalm for at alle i verden skal få elbil med litium jernfosfat-batteri. Så det er nok fosfor til batteriproduksjon. Fosforbehovet for batterier er i dag mye mindre enn fosforbehovet for kunstgjødsel, og slik kommer det nok til å fortsette å være. (Og også verdt å merke seg er at de fleste batteritypene ikke bruker fosfor i dag).

For å oppsummere:

Det finnes mye fosfor, og det er mer enn nok til å lage batterier til alle i verden. Når det likevel har vært snakk om at man kan «gå tom», så er det slik jeg forstår det snakk om å gå tom for fosfor som er billig å utvinne. Og grunnen til at man kan gå tom for den typen fosfor, selv om det er så mye av den, er fordi det brukes utrolig mye fosfor i landbruket, samtidig som fosfor er vanskelig å resirkulere når det brukes til landbruksformål.