Batterirevolutionen är här

Solid state- och kiselbatterier tar över …

Lika sant som att jorden går runt solen är att vi varje år får snabbare processorer, bättre mobiler och starkare datorer. Utvecklingen står aldrig stilla i elektronikindustrin.

Utom i ett segment. Det har nämligen hänt väldigt lite med de laddningsbara batterierna sedan de första litiumjonbatterierna dök upp på marknaden 1991, med Sony som avsändare. De blev snabbt något för alla tack vare fördelarna mot sina nickel-kadmium-föregångare: 2,5 gånger energitätheten och nästan dubbla livslängden. Det var ett kvantsprång av stora mått.

Spola fram tiden nästan tjugo år och vad har hänt? Inte mycket. Tekniken har visserligen maximerats, men energitätheten har ändå bara ökat med mindre än 3 procent (från 370 till 380 Wh per kg) sedan starten.

I stället har innovationen handlat om att göra bättre och mer energieffektiv elektronik för att på så sätt förlänga batteritiden. Och att bygga produkterna på ett smart sätt, så att de får plats med ett så stort batteri som möjligt. Ett bra exempel är moderna elbilar.

Nu börjar revolutionen

Men det är inte så att forskningen har stått stilla. Det har forskats på många nya material och tekniker, med förhoppningen att hitta nästa batteri som kan förändra vår elektroniska vardag.

Nu ser det ut som om arbetet äntligen har burit frukt. Framför allt är det två tekniker som visar sig vara mycket lovande: kiselanoder och solid state.

Solid state

Det ena är batterier i fast form – alla ledande material är alltså i fast form i stället för flytande. De kallas även för solid state-batterier. Fördelarna är att batteriet är mer miljövänligt och dessutom mycket säkrare än dagens litiumjonbatterier, eftersom de aldrig kan läcka eller explodera. Nackdelen har varit att de inte har varit tillräckligt effektiva.

Men 2017 kunde John B. Goodenough, en av uppfinnarna av litiumjonbatterier och nobelpristagare i kemi 2019 för sitt arbete, rapportera om ett genombrott. Nämligen ett batteri med minst tre gånger högre energitäthet än dagens litiumjonbatterier. Vilket alltså innebär att de håller tre gånger så länge utan att vara större. De laddas dessutom upp fortare och tål fler laddningscykler. Men ännu så länge gäller detta bara i labbet, tekniken har ännu så länge inte gått att skala upp till massproduktion. Som så mycket annat.

Ett företag som påstår sig ha löst problemet med solid state-batterier är QuantumScape. De har Volkswagen som en av deras största investerare och påstår att med ett av deras batterier skulle en VW e-Golf kunna förlänga räckvidden från 300 till 750 kilometer, utan att batteriet behöver vara större.

De två företagen hoppas tillsammans kunna starta en produktion av solid state-batterier före 2025.

Toyota, Nissan och Honda har också gått samman med Panasonic i en grupp som består av sammanlagt 23 företag som arbetar med solid state-batterier till framtida elbilar.

Solid state-batterier är en mycket lovande teknik som vi ska hålla ett öga på de närmaste åren.

Kiselanoder

Men just nu är det en annan batteriteknik som rullas ut. Nämligen kiselanoder. Det handlar inte om ett helt nytt batteri från grunden, utan om en vidareutveckling av litiumjonbatteriet. Det är pluspolen (katoden) som innehåller litiumoxid och ger batteriet dess namn. Minuspolen (anoden) är idag av grafit, en mjuk typ av kol.

Under de senaste åren har det visat sig att grafiten i anoden med fördel kan bytas ut mot kisel. Kisel kan absorbera energi med upp till tio gånger så hög täthet som grafit! Och eftersom det är fullt av kisel i jordskorpan (det är bara syre som det finns mer av i marken), är det billigt att få tag i. Och bäst av allt: man behöver inte bygga om batterifabrikerna, för i övrigt byggs batteriet precis som tidigare. Man byter bara ut materialet i anoden.

Utvidgar sig

Men kisel har en nackdel, och den är stor. Nämligen att materialet utvidgar sig. Faktiskt med så mycket som upp till 300 procent när det är fulladdat. Detta orsakar sprickor i konstruktionen och får batteriet att gå sönder efter bara ett par laddningscykler.

Det är detta forskningen om kiselanoder har ägnat sig åt de senaste åren. Det enklaste sättet att lösa problemet har varit att bara blanda i en liten mängd kisel i grafitanoden. Tesla gör detta i sina senaste batterier och kan få ut lite extra kapacitet. Men inte så mycket.

Lösningen

Det har forskats mycket i hur man kan förhindra att kisel expanderar. Nu verkar det som om lösningen i stället ligger i att ge materalet plats att utvidgas. Till exempel genom att använda en form av poröst kisel i stavform, så att hålrummen i materialet kan absorbera utvidgningen.

Klar för massproduktion

Ett av företagen som nu äntligen håller på att få sina kiselbatterier massproducerade är Enevate. I styrelsen sitter ingen annan än ovan nämnda nobelpristagare John B. Goodenough, som nu har fyllt 97 år.

– Vi använder elementära kiselpartiklar som upptar mer än 70 % av anoden, helt utan väteföreningar, berättar Bill Blanning, kommunikationschef för Enevate, i ett e-postmeddelande till undertecknad.

Enevate hävdar att deras batterier kommer att ha 30–50 procent högre kapacitet än dagens litiumjonbatterier. Till en början ser det ut som om tekniken kommer att återfinnas i elbilar. Och medan dagens batterier brukar laddas upp helt på en timme så ska Enevates batterier kunna ladda 75 procent på bara 5 minuter! Batterierna tål fler än 1 000 laddningscykler och är stabila ner till under 20 minusgrader. Goda nyheter för oss här i Norden!

I elbilar 2024

På min e-postfråga svarar Blanning att Enevate räknar med att se sin teknik i nya elbilar som rullar ut på vägarna 2024–25. Bland investerarna hittar vi bland annat Renault-Nissan-Mitsubishi, LG Chem och Samsung.

Hemelektronik

Ett annat företag som utvecklar kiselanoder är Sila Nanotechnologies. De är ännu mer optimistiska när det gäller batterier med kiselanoder. Deras batterier påstås kunna öka kapaciteten med 20-40 procent jämfört med dagens batterier. Laddningen ska också gå mycket snabbare, även om vi inte har sett några exakta siffror.

Bland de viktigaste investerarna i Sila Nanotechnologies hittar vi Daimler (Mercedes) och BMW. Men det är inom konsumentelektroniken som Sila kommer att lansera tekniken först.

Jag frågade via e-post när Sila förväntar sig att de första batterierna släpps på marknaden, och svaret var överraskande:

– Produkten är för närvarande i kvalificeringsprocessen hos flera kunder, och vi förväntar oss att den kommer att lanseras på marknaden för konsumentelektronik under det kommande året, berättade PR-rådgivare Emmalee Kremer.

Kan du specificera?

– Förmodligen 2020, men det kan också bli i början av 2021.

Bland hemelektroniktillverkarna som är investerare hittar vi Samsung. Betyder det att Samsungs nästa flaggskeppsmobil får det nya superbatteriet?

Andra företag som arbetar med kiselbatterier är bland annat Angstrom Materials, Advano och Enovix. De sistnämnda hoppas ha sina första massproducerade batterier klara 2022.

Framtidens batterier kommer nu

Efter att ha använt samma sorts batterier i nästan 30 år är det mycket som tyder på att nästa generation äntligen är redo att släppas på marknaden. I första vändan tycks det bli en vidareutveckling av dagens litiumjonbatterier, med kiselanoder.

Redan mot slutet av året eller början av nästa kommer vi att kunna se de nya batterierna, i produkter som håller betydligt längre och laddas snabbare.

Sedan är det elbilarnas tur. De kommer troligtvis att rulla ut på vägarna 2024-25, och sedan kan det snabbt vara en ny batteriteknik på ingång: solid state.

Det är mycket möjligt att tiden är mogen för elbilarna att inte bara konkurrera mot, utan kanske till och med konkurrera ut, bensin och diesel. Vem vill väl hålla på och tanka bilen när det går lika fort att ladda batteriet – och man kan köra ännu längre?

Reservation: Artikelförfattaren har aktier i REC Silicon, en norsk tillverkare av polykristallint kisel

Geir Gråbein Nordby

(f. 1978): Journalist. Gråbein har aldrig haft något annat heltidsjobb än på Ljud & Bild. Å andra sidan har han varit här nästan halva sitt liv, ända sedan 2001 när han skickade en jobbansökan till fel adress (han ville egentligen till en inspelningsstudio med samma namn). Gråbeins expertis är främst inom hifi, hörlurar och hemmabio, men det händer att han glimtar till med andra kvaliteter också.