skrivet av Helena Berg
USA satsar stort på batteriforskning i sitt ”Joint Center for Energy Storage Research – JCESR” – ett nätverk av akademi, nationella lab och industri. JCESR är fysiskt lokaliserat i anslutning till Argonne Nat. Lab utanför Chicago och satsningen är en del av president Obamas energistrategi.
Dagens nyhetsbrev är en beskrivning av organisationen, målen och en statusuppdatering. För den som vill grotta ner sig i mera detaljer kan man hitta en hel del nyheter och vetenskapliga artiklar på JCESRs hemsida.
Forskningsfokus inom JCESR ligger på nästa generations elektriska energilager – post-Li – för fordon, elnätsapplikationer, samt som energilager för sol- och vindkraft. JCESR jobbar längs hela kedjan från fundamental forskning kring cellmaterial via prototyputveckling till produktionsforskning och marknadsanalyser. Två prototypceller ska tas fram – en för fordon och en för stationära applikationer. Dessutom ska man skapa ett bibliotek av olika aktiva material och fenomen i celler, vilka i sin tur baseras på fundamentala studier på atom- och molekylärnivå.
JCESR startade 2012 och har ett 5-5-5-mål: 5 gånger högre energitäthet, till 1/5 av priset och detta på 5 år.
Forskningsprioritet
Från starten har JCESR forskat kring nya batteritekniker; post-Li. Forskningsbehoven som JCESR definierat är:
- på atomär nivå: hitta material som möjliggör hög energitäthet, samt förstå vad som händer vid upp- och urladdning
- systemanalys: optimera batteripackets arkitektur för att förbättra prestanda, öka livslängden, öka energitätheten och förbättra effektegenskaperna
- styrsystem: förstå hur laddningshastigheten kan ökas utan att livslängden påverkas, vilket i sin tur kräver en djup förståelse om hur joner rör sig i elektrolyten, i elektroderna och mellan elektrod och elektrolyt.
- (cell-)produktion: förstå hur processen kan göras effektivare och billigare utan att kvaliteten blir lidande.
5-5-5-målet angrips från olika infallsvinklar och man jobbar bl. a. med tre elektrokemiska koncept:
- multivalenta koncept (t.ex. Mg2+, Ca2+, Al3+): som teoretiskt sett kan ge dubbel eller trippel energi jämfört med Li+ (som är en monovalent jon).
- koncept som bygger på kemisk omvandling: främst Li-svavel, Na-svavel och Li-syre.
- Icke-vattenbaserade redox-flow: för nätapplikationer pga. stor volym.
De säger att de jobbar brett och utmanande och tror att minst hälften av alla idéer kommer att misslyckas.
Organisation
USA fokuserar sin forskning inom strategiska områden i en ”hub”. Sedan tidigare finns det tre hubbar: Lincoln Lab vid MIT för radarforskning, AT&T Bell Lab för transitorforskning, och Bioenergy Research Centers för forskning inom bioteknik (inkluderar även biobränslen). JCESR är den fjärde hubben i USA – ”The Battery and Energy Storage Hub”. [1]
I denna hub ingår 14 forskningspartners (5 universitet, 5 nationella lab och 4 privata företag) samt 6 samarbetspartners - som även de får forskningsbidrag via JCESR. Givetvis är det ännu flera som deltar – närmare 100 (96 för att vara exakt) olika företag, universitet och nationella lab ingår i nätverket. Och allt leds av en stab på fem personer.
Department of Energy satsar 120 miljoner dollar på detta femårsprojekt. Även delstaten Illinois bidrar med 5 miljoner dollar i arbetspolitiska åtgärder och ytterligare 30 miljoner dollar i själva bygget av hubben. [2]
Från material till massproduktion
Hur skalar man upp en lab-cell till en större cell anpassad för en viss applikation/tillämpning? Att ta fram en cell av hög kvalitet som är redo för massproduktion har av vissa liknats vid att ta fram ett läkemedel.
Runt 20 år tar det från att man har hittat ett aktivt material till dess att det finns celler på marknaden, är man lyckligt lottad kan det gå på ca 10 år. Vad är det som tar så lång tid? För att komma till en cell som är redo att skalas upp för storskalig produktion tar det 5-12 år [3,4]. Några av stegen är: syntes av aktivt material, uppskalning av experiment, validering av materialegenskaper i halvcell, och sedan att sätta ihop en helcell med elektrolyt och motelektrod som har tillräckligt bra prestanda och minimala degraderingsprocesser för att ta steget till större celler.
Under denna utvecklingsfas går du från enstaka forskare till ett forskarteam på ca. 30 personer. Du går från att jobba med några få gram av materialen till uppåt 100 kg och kostnaderna kan 50-dubblas. [3]
Att sedan göra en cell redo för marknaden tar ungefär lika lång tid det. Kostnad och personalåtgång vågar vi inte spekulera i, men 30 personer räcker inte långt (egen kommentar).
Status så här långt
Med knappt två år kvar verkar JCESR ha en lång väg kvar till 5-5-5-målet. På JCESRs hemsida kan hitta en lång lista på vetenskapliga publikationer. Men för att sammanfatta läget så här långt har vi valt ut några nyheter.
JCESR dissar Li-syre [4]. De har insett att det är mindre fördelaktigt än vad man tidigare trott att lagra energi i denna typ av cell. Detta på grund av man måste använda mycket rent syre för att få någon fördel på cellnivå. Och på packnivå blir det då inte alls fördelaktigt. Detta koncept är borta från forskningsagendan men JCESR ser andra lovande möjligheter.
De koncept man åsyftar är Li-svavel, Na-svavel, och framför allt multivalenta koncept. Utmaningarna med Li-svavel ser de som utmanande, men ändå realistiskt överkomliga; de har främst att göra med metalliskt lithium, att förhindra att svavelkatoden förstörs under cykling, samt att de i dagsläget inte har någon fungerande elektrolyt.
När det gäller multivalenta celler har man screenat över 1800 material (via beräkningar och simuleringar) för att förstå vilka material som kan vara lämpliga som aktiva material. Detta är den största studien av detta slag som genomförts och har mynnat ut i att man har identifierat Mg2+ som favorit och Ca2+ som alternativ [4]. Problemet som man ser det är att hitta en tillräckligt bra elektrolyt som inte förstörs under cykling.
JCESR-forskare har demonstrerat att Ca-jonceller fungerar. Färgämnet i preussiskt blå (mangan-hexacyanoferrat) har använts som katodmaterial och metalliskt tenn som anod. Tillsammans med en icke-vattenbaserad elektrolyt har man fått en cell på 3,4 V och med en kapacitet på 80 mAh/g (vilket är långt ifrån bra. NMC-material har åtminstone dubbelt så hög kapacitet). Detta är även en besvikelse då man helst vill använda en kalcium-anod, men då JCESR-forskarna inte hittat någon elektrolyt som går att använda fick de nöja sig med en tenn-anod. Man hävdar att man var först med att visa att kalcium går att cykla. [5]
I oktober i fjol publicerade dock Toyota Motor Europe och Institut de Ciència de Materials de Barcelona att de cyklat en cell med just en metallisk kalcium-anod [6]…
Egna kommentarer
Med knappt två år kvar så känns det tyvärr än så länge rätt så tunt. Det som är mest framsynt och spännande, kalcium-cellen de demonstrerat, är ändå mycket långt ifrån målet på 5 ggr högre energitäthet än dagens Li-jonceller. Och ändå är inte bara i USA man forskar kring post-Li – vi inom Europa är väl så framåt.
Jag gillar dock deras tydliga och konkreta, men tuffa mål, och att dessa täcker hela värdekedjan från atom till applikation. Om man ska lyckas kan man inte bara studera en del i kedjan – man måste ha en förståelse för aktiva material, cellkonstruktion och -produktion, packdesign, styrsystem och applikationskunskap.
Men de kommer att få det mycket svårt att lyckas… i alla fall om de ska hålla tidsplanen.
[1] Team Led by Argonne National Lab Selected as DOE’s Batteries and Energy Storage Hub. DOE. 2012. länk
[2] DOE to award $120M to team led by Argonne National Lab for joint research hub on batteries and energy storage; 5-5-5 goal. Green Car Cogress. länk
[3] R. Brodd, ATP Working Paper Series Working Paper 05–01, NIST (US)
[4] Update on JCESR’s progress toward 5-5-5 battery for EV and grid applications; convergent and divergent research strategies. Green Car Congress. 5 nov 2015. länk
[5] Rechargeable Ca-Ion Batteries: A New Energy Storage System. länk
[6] Towards a calcium-based rechargeable battery. Nature Materials. länk (pdf)
