Lige så sikkert som, at Jorden drejer rundt om solen, får vi hurtigere processorer, bedre mobiler og kraftigere computere hvert eneste år. Udviklingen står aldrig stille i elektronikbranchen.
Undtagen i ét segment. Der er nemlig sket pinlig lidt inden for genopladelige batterier, siden de første litium-ion-batterier kom på markedet i 1991, med Sony som afsender. De blev hurtigt allemandseje pga. deres fordele i forhold til forgængerne, nikkel-cadmium-batterierne: To en halv gang så stor energitæthed og næsten dobbelt så lang levetid. Det var et kvantespring af rang.
Spol små tyve år frem, og hvad er der sket? Meget lidt. Teknologien er ganske vist blevet finpudset i løbet af dette tidsrum, men alligevel er det kun lykkedes at øge energitætheden med under 3 procent (fra 370 til 380 watt-timer pr. kg) siden starten.
I stedet ligger innovationen i at lave bedre og mere energieffektiv elektronik for at øge batterilevetiden. Og bygge produkterne på en smart måde, så der er plads til det størst mulige batteri. Det er nyere elbiler et godt eksempel på.
Læs: Her er fremtidens batterier
Batterirevolutionen starter nu
Men det er ikke sådan, at forskningen er stået stille. Der er forsket i mange nye materialer og teknologier i håb om at finde den næste batteritype, der kan forandre vores elektroniske hverdag.
Nu ser det arbejde endelig ud til at bære frugt. Det er især to teknologier, der har vist sig at være meget lovende: Silicium-anoder og solid state.
Solid state
Den ene er batterier i fast form – hvilket vil sige, at de ledende materialer ikke er flydende. Det kaldes solid state-batterier. Fordelen er, at batteriet er mere miljøvenligt og også meget mere sikkert end nutidens litium-ion-batterier, idet de ikke kan lække eller eksplodere. Ulempen har hidtil været, at de ikke var effektive nok.
Men i 2017 kunne John B. Goodenough, en af opfinderne af litium-ion-batteriet og modtager af Nobelprisen i kemi i 2019 for dette arbejde, fremvise et gennembrud. Nemlig et batteri med mindst tre gange så høj energitæthed som nutidens litium-ion-batterier. Dvs. de holder tre gange så længe, uden at størrelsen øges. Og desuden lades de hurtigere op og kan tåle flere ladecyklusser.
Et firma, der hævder at have løst solid state-batteriernes gordiske knude, er QuantumScape. De har Volkswagen som en af de største investorer, og påstanden er, at en VW e-Golf med deres batteri vil kunne øge rækkevidden fra 300 til 750 km – uden at batteristørrelsen øges.
De to firmaer håber i fællesskab at kunne åbne en produktionslinje med solid state-batterier inden 2025. Toyota, Nissan og Honda har også slået sig sammen med Panasonic i en gruppe på i alt 23 virksomheder, der arbejder med solid state-batterier til fremtidens elbiler.
Solid state-batterier er en meget lovende teknologi, som vi skal holde øje med de kommende år.
Silicium-anoder
Men lige nu er det en anden batteriteknologi, der rulles ud. Nemlig silicium-anoder. Her er der ikke tale om en helt ny batteritype, men om en videreudvikling af litium-ion-batteriet.
Det er plusspolen (katoden), som indeholder litiumoxid, der har givet navn til litium-ion-batteriet. Minusspolen (anoden) er i dag af grafit, en blød type kulstof, men de seneste år har man fundet ud af, at grafitten i anoden med fordel kan erstattes af silicium.
Silicium kan absorbere energi med en tæthed, der er op til ti gange så høj som grafits! Og da jordskorpen er fuld af silicium (det er kun ilt, der er mere af i jorden), er det billigt at få fat i. Og det bedste af det hele? Man behøver ikke at bygge nye batterifabrikker, da batterierne ellers laves som før. Man erstatter bare materialet i anoden.
Udvider sig
Silicium har én ulempe, men den er til gengæld stor. Nemlig at det udvider sig. Faktisk op til 300 procent, når det er fuldt opladet. Det giver revner i konstruktionen og får batteriet til at gå i stykker efter nogle få ladecyklusser.
Inden for silicium-anoder er det her, forskningen er sket de seneste år. Den nemmeste måde at løse problemet på har været kun at blande en lille dosis silicium i grafitanoden. Det gør Tesla med deres nyeste batterier, og på den måde kan de presse lidt ekstra kapacitet ud af dem. Men ikke meget.
Løsningen
Der er forsket meget i, hvordan man forhindrer silicium i at udvide sig. Nu ser det ud til, at løsningen i stedet er at give stoffet plads til at udvide sig. F.eks. ved at bruge en form for porøs silicium i støvform, så hulrummene i materialet kan absorbere ekspansionen.
Klar til masseproduktion
En af de virksomheder, der endelig er ved at få deres siliciumbatterier masseproduceret, er Enevate. I deres bestyrelse sidder ingen ringere end den nævnte John B. Goodenough, som nu er fyldt 97 år.
“Vi anvender elementære siliciumpartikler, der fylder mere end 70 procent af anoden, helt uden brintforbindelser,” kunne Enevates kommunikationschef, Bill Blanning, fortælle undertegnede i en e-mail.
Enevate hævder, at deres batterier vil have 30-50 procent større kapacitet end nutidens litium-ion-batterier. I første omgang ser det ud til, at teknologien bliver at finde i elbiler. Og hvor moderne batterier typisk lades helt op på en time, skal Enevates batterier kunne lades 75 procent op på kun fem minutter! Batterierne kan tåle over 1.000 ladecyklusser og opfører sig stabilt ned til under -20 grader. Godt nyt for os nordmænd!
Kommer i elektriske biler i 2024
På forespørgsel pr. mail kunne Blanning fortælle os, at Enevate forventer at se deres teknologi i nye elbiler, der ruller ud på vejene i 2024-25. Blandt investorerne finder vi bl.a. Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem og Samsung.
Forbrugerelektronik
En anden udvikler af silicium-anoder er Sila Nanotechnologies, som er endnu mere håbefulde, hvad udrulning af deres batterier med silicium-anoder angår. Deres batterier siges at kunne øge kapaciteten med 20-40 procent i forhold til nutidens batterier. Opladning skal også gå meget hurtigere, selv om vi ikke har set nogen konkrete tal her.
Blandt de største investorer i Sila Nanotechnologies finder vi Daimler (Mercedes) og BMW. Alligevel er det inden for forbrugerelektronik, Sila vil rulle teknologien ud først.
Jeg spurgte pr. e-mail, hvornår Sila forventer, at de første batterier kommer på markedet, og svaret var overraskende:
“Deres produkt er i øjeblikket i kvalifikationsprocessen hos flere kunder, og vi forventer, at det lanceres på markedet for forbrugerelektronik i løbet af det kommende år,” sagde PR-rådgiver Emmalee Kremer.
Kan du specificere det?
“Sandsynligvis i 2020, men det kan også blive tidligt i 2021.”
Af forbrugerelektronikproducenter finder vi bl.a. Samsung på investorlisten. Betyder det mon, at Samsungs næste flagskibsmobil får det nye superbatteri?
Andre virksomheder, der arbejder med siliciumbatterier, er bl.a. Angstrom Materials, Advano og Enovix, hvoraf sidstnævnte håber at have deres første masseproducerede batterier på hylderne i 2022.
Fremtidens batterier kommer nu
Efter at vi har brugt de samme batterier i næsten 30 år, er der endelig meget, der tyder på, at næste generation er klar til markedet. I første omgang ser det ud til at blive en videreudvikling af nutidens litium-ion-batterier – med silicium-anoder.
Allerede sidst på året eller tidligt næste år vil vi se de nye batterier i produkter, der så vil holde væsentlig længere og oplades hurtigere. Derefter kommer turen til elbiler. De vil sandsynligvis rulle ud på vejene i 2024-25, hvorefter der snart kan være en ny batteriteknologi på trapperne, nemlig solid state.
Det er meget muligt, at tiden så er moden til, at elbilerne ikke bare kan konkurrere med, men måske endda udkonkurrerer benzin og diesel. For hvem gider fylde tanken, når man kan lade batteriet op lige så hurtigt – og køre endnu længere?
Læs også: Samsung fordobler rækkevidden
Forbehold: Artiklens forfatter vil gerne gøre opmærksom på, at han ejer aktier i REC Silicon, en norsk producent af polysilicium.
