Nästa generations litiumbatteri utan kobolt kan snart vara här

En av de största utmaningarna med elektrifieringen av transportnätet samt lagringen av energi för sol- och vindkraft är tillgången till litiumbatterier. Efterfrågan växer exponentiellt över hela brädet, vare sig det gäller intresset för mindre batterilagringseneheter för hem och företag, energibolag som vill ha jättebatterier likt det som nyligen installerades av Tesla i Södra Australien, till biltillverkare som plötsligt ska börja producera riktiga elbilar. Men för att det ska bli några litiumjonbatterier krävs det en rad råvaror, inte bara litium utan främst nickel och kobolt...

Till skillnad mot vad en kan tro är det varken litium eller nickel-tillgången som är den största utmaningen för att produktionen av litiumbatterier ska komma igång på allvar. Ett av de största flaskhalsarna är kobolt som utgör en ännu större del av en battericell än litium. Hälften av världens kobolt-utvinning kommer från demokratiska republiken Kongo som sker under farliga och ofta omänskliga förhållande, en utvinning som ofta genomförs av barnarbetare. Företag som Tesla har därför valt att köpa kobolt från andra delar av världen men på grund av den låga tillgången globalt är det många företag som vänder sig till Kongo i alla fall.

Men glädjande nog verkar nästa generations litiumbatteri inte behöva kobolt överhuvudtaget och kan dessutom använda mindre litium men ändå ha bättre egenskaper. Kanadensiska teknik- och kemiföretaget Nano One Materials meddelade nämligen förra veckan att de nu testkör ett nytt typ katodmaterial för litiumjon-battericeller som inte använder sig av kobolt och kan börja erbjuda tekniken till batteritillverkare redan under detta år. Vi ska snart återkomma närmare till Nano Ones teknik och vad genombrottet kan innebära.

Litiumjon-batteriet

Priset på litium har nära på 8-faldigats de senaste fem åren och dubblerats bara under 2017, vilket reflekterar en snabbt växande efterfrågan samtidigt som produktionen inte räcker till. Men nu investeras det miljardbelopp i ny utvinning och fler länder väntas börja leverera större volymer i år däribland Australien och USA. 

Litium är ett av jordens vanligast förekommande grundämnen och finns i många bergarter men oftast i låga halter spridda över jordskorpan i haven och i floder. När man utvinner litium idag är det främst två varianter som förekommer. Den ena varianten som sker bland annat i västra Australien där man spränger och sedan processar granitliknande bergarter för att komma åt spodumen-mineral som innehåller cirka 6 procent litium. Detta skeppas sedan till Kina där de genomgår olika anriktningsprocesser för att slutligen kunna användas som litiumhydroxid i de katodmaterial som utgör en viktig del av en battericell.

Den andra varianten för att komma åt litium som dessutom är mest ekonomisk lönsam då den kräver minst energi och investeringar, är när litium kan utvinnas i form av saltlösning. I detta fall pumpas litium och andra ämnen med vatten till ytan där de sedan förvaras i olika avdunstningbassänger. Steg för steg får man högre koncentration av litium ur mineralvätskan och andra ämnen som magnesium och bor separeras.

En nackdel med denna typ av utvinning är att det går åt enorma mängder vatten för att få upp litiumet och det sker dessutom ofta på platser där det redan råder stor torka, så som i Nevadas öken i USA (än så länge en mycket liten marknad/producent av litium men som väntas växa kraftigt framöver med närheten till världens största batterifabrik-Tesla Gigafabriken) eller där världens största utvinning sker i öken- och saltplatå-området Salar de Atacama i Chile. I Chile har man satt gränser för utvinningen för att försöka skydda de rika ekosystemet i området, om det kommer bestå och om andra länder gör likadant återstår att se.     

I ett senare steg processas litiumvätskan till litiumkarbonat som är en pulverliknande form för att sedan i slutsteget förädlas, vanligtvis från litiumkarbonat till litiumhydroxid så det kan användas i litiumbatterier med så optimala laddnings- och urladdningsegenskaper som möjligt, många laddcykler osv. Det är här Nano One Materials teknik kommer in.

Nano Ones nya katodmaterial kan sänka kostnaden för litiumbatteritillverkningen och helt utesluta kobolt i litium-batterierna   

I en elbil med ett riktigt stort batteri som Tesla Model S sitter det runt 7000 litiumjon-batterier eller battericeller fördelade på 16 stycken batterimoduler som tillsammans utgör det som kallas batteripacket. Hela batteripacket väger runt 544 kg men endast knappt sju kilo av detta är litium.

Det katodmaterial som utgör 25 % av en battericell består bara till cirka 11 % av nickel, det mesta, 77 %, är nickel, följt av 14 % kobolt och en liten del, cirka 2 % är aluminium.

Det är alltså endast en mindre del av ett litiumjon-batteri som är litium, i fallet ovan specifikt: ett nickelkobolt aluminum oxidbatteri som alltså slarvigt kallas en litiumjon-batteri.

I ett pressmeddelande i torsdags förra veckan meddelade Nano One:s ledande forskare Dr. Stepehen Cambell och tillika en av litiumindustrins ledande kemiingenjörer, att företaget nu avslutat ett 18-månaders projekt för ett nytt högpspännings-katodmaterial: High Voltage Spinel (HVS). Företagets forskningsteam har tagit fram och testat ett nytt katodmaterial som inte kräver kobolt utan i huvudsak består av nickel, mangan och litium. Projektet som har fått finansiellt stöd av kanadensiska forskningsmyndigheten National Research Council of Canada -Industrial Research Assistance Program (NRC IRAP) har även resulterat i flera andra betydelsefulla framsteg i katodmaterialutvecklingen.

Ett annat genombrott är att det nya katodmaterialet dessutom kan framställas av rent litiumkarbonat istället för det förädlade och betydligt dyrare litiumhydroxid. Partiklarna i materialet kan även formas i storlek och form på atomnivå för att kunna anpassas för tex större eller mindre lagringsenheter eller högre spänning för snabbare laddning men kan tack vare formbar struktur ta mindre plats.

Nano One har redan sedan tidigare flera patent på den kemiska process de använder sig av i sina litium-reaktorer där materialen blandas samman, två till patent är nu inlämnade för processen som möjliggör det nya katodmaterialet.

I pressmeddelandet säger Dr. Elahe Talaie, ledare för forskningsteamet bakom HVS-projektet att en pilotanläggning för framställning av det nya katodmaterialet där större testvolymer för uppvisning till kommersiella producenter kommer ske senare under året. Sedan tidigare har VD:n och grundaren Dan Blondal meddelat att de väckt intresse med sin teknik att ta fram olika typer av katodmaterial hos några av världens största batteritillverkare bland andra LG Chem och Samsung.

För mer om hur litiumbatterier fungerar och Nano One:s teknik se gärna videon nedan.

Vi äger aktier i Nano One Material Corp.