Nye batterier på vej: Forskere vil fjerne udskældt råstof fra elbilbatterier

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

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.

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

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.

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.