Nye batterier på vej: Forskere vil fjerne udskældt råstof fra elbilbatterier
Jagten på koboltfrie batterier er sat ind. Men hvad er mulighederne? Det ser vi nærmere på herunder.
batterier_elbiler_forside

Tesla satser i sine mindre bilmodeller i Kina på et litium-jernfosfat batteri, der hverken indeholder råstofferne kobolt eller nikkel. (Foto: Shutterstock)

Tesla satser i sine mindre bilmodeller i Kina på et litium-jernfosfat batteri, der hverken indeholder råstofferne kobolt eller nikkel. (Foto: Shutterstock)

Vi skal have mange flere elbiler på vejene for at få sat en stopper for CO2-udledningen. 

Men størstedelen af dem tøffer lige nu rundt med én særlig, stor, dårlig samvittighed: Kobolt.

Kobolt indgår i elbilens hjerte, batteriet, og råstoffet tiltrækker sig stadig stigende opmærksomhed af flere årsager:

  1. Omkring 60 procent bliver udvundet i det ustabile land DR Congo i Afrika, og det er blevet forbundet med livsfarligt børnearbejde i småskala-miner, hvilket vi tidligere har skrevet om på Videnskab.dk. 
  2. Det er et af de dyreste råstoffer i bilbatteriet, og det kan skabe usikkerhed omkring forsyningen.
  3. Det er giftigt at inhalere og røre ved i store mængder. 

Netop den cocktail af prisstigninger og usikkerhed om udbuddet af kobolt har fået bilproducenter og forskere til at lede efter koboltfrie alternativer i stor stil.

»Særligt kobolt får stor opmærksomhed, både forskningsmæssigt og kommercielt, fordi det er et af de dyreste råstoffer i batteriet, og nu hvor virksomhederne især begynder at gå op i at have en grøn profil, så er kobolt lidt en torn i øjet,« siger Dorthe Bomholdt Ravnsbæk, der er professor på Institut for Kemi ved Aarhus Universitet og forsker i genopladelige batterier.

»Fordi kobolt er både giftigt og dyrt, så er det noget, der virkelig bliver rykket på,« fortsætter hun.

Professor Poul Norby deler den betragtning:

»Alle batteriproducenter og fabrikker vil gerne af med kobolt, og jeg er overbevist om, at inden for de næste 5-10 år kommer man til at køre rundt med langt flere batterier uden kobolt,« vurderer Poul Norby, der er tilknyttet Institut for Energikonvertering og -lagring ved DTU Energi, til Videnskab.dk.

Vi gør status på et par af de batteriteknologier, der blomstrer op. I dag er langt fleste elbilbatterier litium-ion batterierne, der indeholder kobolt.

Det skal bemærkes, at litium-ion er en overordnet fælles betegnelse for en række forskellige batteriteknologier med forskellige sammensætninger af materialer og grundstoffer. Mange forskere og virksomheder jagter den hellige gral indenfor batteriteknologien i disse år, og vi når ikke forbi alle teknologierne i denne artikel. 

Arbejder på at knække koden

Består af flere mineraler


Parallelt med den voksende flåde af elbiler stiger behovet hastigt for råstoffer som litium, kobolt og nikkel, som indgår i litium-ion batterierne.

Elbilbatteriets anden følgesvend, litium, efterlader også ar på miljøet, når det skal udvindes, da det kræver et stort vandforbrug.

Ser man på litium, er det let og et af de bedste materialer, der findes, til at gemme strøm, hvilket gør det utrolig velegnet i batterier.

Mens fremtiden for batterier uden kobolt ser ganske lys ud, vil det være sværere at fremstille lige så effektive batterier uden litium, fordi få alternativer fungerer lige så godt.   ​​​​​​

Først skal vi lige forbi hovedpersonen: Kobolt.

Det er et sølvfarvet metal, som lidt forsimplet sagt bruges i batteriets elektroder og gør batterierne mere effektive og slidstærke. Det betyder noget for, hvor langt en elbil kan køre på en opladning - det omtales også som energitæthed i fagtermer.

Mængden af kobolt i batterierne er dalet med årene, men til trods for den udvikling er der stadig et par knaster, der skal høvles af.

Forskerne har nemlig svært ved at sige, præcis hvorfor kobolt stabiliserer batterierne.

»Kobolt gør noget ved de hér materialer i batterierne rent kemisk, som vi ikke helt har knækket koden til, og derfor har man svært ved at lave et koboltfri batteri, der er lige så effektivt, som de koboltholdige batterier vi bruger i dag,« forklarer Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

I 2030 kan der køre helt op til 245 millioner elbiler, varevogne og busser rundt på vejene i verden, spår det Internationale Energiagentur. Efterspørgslen på kobolt, og en række af de andre metaller i elbilerne som nikkel og litium, forventes derfor at skyde i vejret de kommende år. 

Derudover anvendes kobolt også i olieindustrien til katalysatorer og ligeledes i stålindustrien. 

Det kan blandt andet gøre det sværere at skaffe mineraler nok til vores elbiler, smartphones og computere, da det kan tage op til 10 år at starte nye kobolt-miner op.

Desuden sidder Kina på langt størstedelen af råstoffernes forarbejdning. 

li-ion-batteri_elbiler_saadan_fungerer_litium-ion-batteriet.

Li-ion (plus) og elektroner (minus) bevæger sig fra katoden til anoden, ionerne gennem batteriet og elektronerne gennem ledningen. Litium-Ion batterier kommer i helt række af forskellige typer, men her er en grov skitse over, hvordan batteriercellen i en elbil er bygget op. Lithium udgør omkring 15 procent af batteriets vægt; derudover indeholder batteriet aluminium, kobber, nikkel stål, mangan og kobolt. (Foto: Videnskab.dk/Ditte Svane-Knudsen)

Arbejder med andre grundstoffer

Men hvordan knækker man så koden til et elbilsbatteri uden kobolt?

En af de nærliggende måder at gøre det på er ved, at »putte nogle andre grundstoffer ind i batterierne, der hvor kobolt plejer at sidde,« som Dorthe Bomholdt Ravnsbæk formulerer det.

Men det er en udfordrende manøvre, netop fordi energitæthed og rækkevidde selvsagt fylder meget hos forbrugeren. Som materialekemiker har Dorthe Bomholdt Ravnsbæk dog kastet sig ud i at få løst udfordringen.

En af de teknologier, hun har forsket i, er at bruge metallet natrium i batterier – altså ved at lave det, der kaldes Na-ion-batterier. Natrium findes i store mængder i havvand og kan nemt udvindes derfra.

To af fordelene ved Na-ion-batterierne er:

  1. Natrium er en meget let tilgængelig ressource. 
  2. Na-ion-batterier behøver ikke kobolt eller litium.

Det materiale, som Dorthe Bomholdt Ravnsbæk og hendes kolleger blandt andet har undersøgt, er et nyt elektrode-materiale, som baserer sig på jern, mangan og fosfor. 

Udfordringen består stadig i at opnå samme energitæthed med den type af batterier. Af den grund bakser man stadig med at lave mindre Na-ion-batterier, som kan sidde i elbilbatterier, uden at det er på bekostning af, hvor langt elbilen kan køre.

Derfor er det endnu svært at give et bud på, hvornår - og om - teknologien tager fart, men der er tegn på, at producenterne har fået øjnene op for den teknologi. Indien har blandt andet lagt sig i selen for at producere den type af batterierier. 

»Det går stærkt lige nu med at få kommercialiseret nye batteriteknologier, for eksempel natrium-ion batterier, og der kommer vi i de næste år til at se et nyt marked, der blomstrer op,« vurderer Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Poul Norby er enig i, at den batteritype er spændende. Men han har stadig svært ved at se, at Na-ion batterier kan blive en batteriteknologi til transport, fordi de vil være tungere og større end de nuværende batterier, og det kan barbere noget af rækkevidden. 

Flere danske forskere er med i den benhårde konkurrence, og på Aarhus Universitet sidder et makkerpar, der forsker i et calcium-batteri. Det kan du blive klogere på i artiklen: Danske forskere i intenst kapløb: Kæmper mod bilgiganter om at udvikle fremtidens batterier.

I faktaboksen kan du læse mere om, hvordan mængden af kobolt allerede er beskåret i elbilsbatterier. 

Tesla kigger en anden vej

Indhold af kobolt daler


Batterierne er en af de dyreste enkeltdele i en ny elbil, og når priserne på elbiler falder, skyldes det især, at elbilernes batterier bliver billigere. Washington Post har tidligere estimeret, at der bruges omtrent 5-9 kilo kobolt i en elbil på nuværende tidspunkt.

Det hører med til historien, at mængden af kobolt ér blevet reduceret både i elektronik og i bilbatterier over årene.

»Man er nede på at lave batterier, hvor man har erstattet mere end en tredjedel af kobolten med andre metaller som aluminium og, nikkel og mangan,« beretter Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Den første generation af batterier til elbiler indeholdt 33 procent kobolt i katoderne, mens nuværende kommercielle katoder i batterierne indeholder 15-20 procent kobolt.

Der bliver i industrien arbejdet på at udvikle 10 procent koboltkatoder.​​​​​​

Kilde: U.S. Department of Energy’s national labs

En fætter til det traditionelle litium-ion batterier, som den populære bilfabrikant Tesla er begyndt at bruge i nogle af deres mindre Tesla-modeller i Kina, er litium-jern-fosfat batterier.

Den type af batterier indeholder ingen kobolt og nikkel - prisen på sidstnævnte har på det seneste braget op, og Rusland står faktisk for syv procent af verdens nikkel. 

»Teknologien er ikke ny, men i mange år er den slags batterier blevet negligeret lidt, fordi det ikke har en lige så høj energitæthed. Men bilproducenterne har fået øjnene op for det materiale, fordi man kommer uden om kobolt,« uddyber Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Poul Norby tilføjer:

»Det, man gerne vil, er at bruge jern og mangan, som der er masser af. Den slags batterier er mere holdbare, og kan lades op til 100 procent uden at tage skade. Men udfordringen er stadig, at energitætheden er lavere, så batteriet er tungere, og det kan betyde, at man får svært ved at øge rækkevidden betydeligt.«

I en længere artikel på det amerikanske medie CNBC har professor og materialekemiker Shirley Meng tidligere luftet samme pointe om litium-jernfosfat batterier, i forbindelse med at Tesla annoncerede at de vil bruge den batteritype i deres mindre modeller. 

Til trods for, at den populære bilfabrikant på en række punkter holder kortene tæt ind til kroppen, spår Shirley Meng dog, at den type af batterier kommer til at spille en større rolle på batterimarkedet:

»Jeg håber, vi når dertil før 2025. Litium-jernfosfat og dets opgraderede versioner vil spille en stor rolle i fremtiden for elbiler og fundamentalt ændre energilagring i stor skala,« lød vurderingen fra Shirley Meng, professor på University of California i San Diego. 

Det amerikanske medie CNBC giver her en længere forklaring på, hvordan litium-jernfosfat batterierne er på vej frem, og hvordan flere lande vil gøre sig uafhængige Kina, der i dag står for en stor del af minerne og produktion af kobolt fra Congo (Video: CNBC)

Jagten på de koboltfrie batterier er altså i fuld sving, både herhjemme og i udlandet.

Og som en lille krølle på halen er den danske virksomhed Haldor Topsøe i gang med at lave et katode-materiale til bilbatterier, som baserer sig på litium-nikkel-mangan-oxid.

Det vil være et batteri, der indeholder meget lidt eller slet ingen kobolt, siger Christian Stender, leder af Haldor Topsøes Compliance & Sustainability-afdeling, til mediet Danwatch.

En ting er, når batterierne produceres. Noget andet er, når de må lade livet efter flere års brug. Hvad gør vi så med alle de udtjente batterier? Det kan du læse mere om på Videnskab.dk i de kommende dage. 

 
Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte, døde og vaccinationer i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om, hvorfor denne 'sort hul'-illusion narrer din hjerne.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk