Mangelsamfundet

Batterier skal genbruges og gentænkes

Den eksplosive vækst i salget af elbiler er ved at sende os ud i en mangel på batterier. For at vriste os fri af det problem skal vi bl.a. blive bedre til at genanvende batteriernes råstoffer og sætte fart på udviklingen af nye batterityper.

Elbil i ladestander.
Accepter cookies for at se denne infografik

om batterier

  • Frem til 2030 ventes den globale efterspørgsel på batterier at blive 14-doblet.
  • EU vil formentlig stå for næsten en femtedel af efterspørgslen. I 2030 ventes der at køre mindst 30 millioner nulemissions elektriske køretøjer på vejene i EU.

Kilde: EU Parliamentet

Den eksplosive vækst i salget gør, at en mangel på batterier truer. Dels fordi det vil knibe med hurtigt nok og på forsvarlig vis at kunne udvinde råstoffer som kobolt, litium, nikkel og grafit, der i dag typisk indgår i batterier. Dels fordi efterspørgslen på batterier med al sandsynlighed i en periode vil overstige produktionskapaciteten.

Pres på råstofferne

Forskere fra KU Leuven i Belgien anslår i et studie fra april i år, at Europa for at nå i mål med den vedtagne ambition om at være klimaneutral i 2050 samlet set vil få brug for hele 36 gange så meget litium og mere end fire gange så meget kobolt som i dag. Det vil skabe kamp om ressourcerne.

En måde at afbøde de uundgåelige flaskehalse på er ifølge Poul Norby udvikling af nye og bedre batterityper, som ikke i så stort omfang bruger de grundstoffer, der kan blive størst rift om. 

Forsyningsudfordringen vil bl.a. sætte endnu mere fut i arbejdet med at finde alternativer til de litium-ion-batterier, som findes i de fleste elbiler i dag, og som – på trods af et stort fokus på at mindske indholdet – stadig består af cirka 10 pct. kobolt.

Der er allerede forsket så meget i alternativer, hvor kobolt skiftes ud med f.eks. jern eller mangan, at professoren vover pelsen: ”Om fem år er der ikke kobolt i vores litium-ion-batterier. Det er selvfølgelig en dristig udtalelse, men det er jo den vej, det går, fordi kobolt er problematisk på så mange måder.”

Hurtigere udviklingsproces

Batteriets vægt, ydeevne og pris har stor indflydelse på, om et alternativ kan blive rigtig interessant som afløser for det populære litium-ion-batteri. De første to parametre er nemlig med til at sikre, at elbiler kan køre længst muligt pr. opladning.

Poul Norby indgår sammen med en række kolleger på DTU i EU’s hidtil dyreste og største projekt inden for batteriforskning kaldet BIG-MAP. Deres opgave er at udvikle en effektiv proces til at vurdere, hvilke materialer man kan dømme inde eller ude i udviklingen af nye og effektive batterier – ikke bare til brug i biler, men i hele den grønne omstilling.

”Ved at lave en effektiv proces til at udvikle, teste og evaluere nye materialer kan man speede materialeudviklingsprocessen meget op. Så vi forsøger at kombinere teoretisk modellering med eksperimentelt arbejde og laver en autonom machine learning-drevet proces, så man løbende kan evaluere og beslutte, hvilken vej man nu skal gå,” forklarer han.

Arbejdet bidrager med fundamental viden om materialer, der har en reel eller potentiel anvendelse som nye eller eksisterende materialer. Det er således på mange måder skridtet før udvikling af nye batterier, men er grundlæggende for, at man ikke går galt i byen og satser på idéer, som alligevel ikke viser sig brugbare.

Næste evolutionstrin

Næste naturlige trin i udviklingen af nye batterier vil ifølge Poul Norby være faststofbatterier. I modsætning til de nuværende litium-ion-batterier er elektrolytten (altså forbindelsen mellem batteriets positive og negative pol) ikke flydende, men er lavet af f.eks. glas, mineraler eller polymerer.

Adskillige af de store bilfabrikanter har satset stort på at udvikle faststofbatterier, som forventes at blive mere brandsikre og kan oplades markant hurtigere og indeholde dobbelt så meget energi som de litium-ion-batterier, vi har til rådighed i dag. Flere bilmærker har meldt ud, at de regner med at have udviklet et brugbart faststofbatteri i 2025.

Faststofbatteri til mikroelektronik
Det eneste kommercielt tilgængelige genopladelige faststofbatteri på markedet bliver brugt i mikroelektronik. Det leverer strøm til elektronikken, når den ikke er sat i stikkontakten. Her i laboratoriet er det i en holder, så forskerne kan studere batteriet med Røntgendiffraktion, mens det bliver op- og afladt. Foto: Bax Lindhardt

Poul Norby fortæller, at den ultimative drøm er et litium-luft-batteri, som har en energitæthed, der er tæt på den, man kender fra fossile brændstoffer – og så kræver det ikke kobolt:

”Det har altid været sådan et område, hvor belønningen ved at udvikle et litium-luft-batteri var gigantisk, hvis man kunne gøre det, men vejen derhen er utrolig vanskelig. Hvis det ikke var, fordi der var en meget stor belønning i horisonten, så ville man aldrig nogensinde have arbejdet med det.”

Ved at kombinere beregninger med eksperimentelt arbejde har DTU-forskere vist, at det rent faktisk – teoretisk set – kan lade sig gøre at lave et litium-luft-batteri. Men i praksis har det vist sig vanskeligt at få en tilstrækkelig energieffektivitet, ladehastighed og holdbarhed.

”Det er afgjort noget, som kan revolutionere batteriteknologien, men det ligger meget langt ude i fremtiden, hvis det overhovedet kan lade sig gøre at føre ud i livet,” understreger han.

Nyt liv til gamle batterier

Recirkulation kommer også til at spille en vigtig rolle i at forebygge en råstofmangel på den lange bane. KU Leuvens føromtalte studie anslår, at hvis Europa gennemfører massive investeringer her og nu, vil kontinentet i 2050 alene ved genanvendelse kunne dække 40-75 pct. af det behov for råstoffer, som omstillingen til grøn energi vil kræve.

”Den offentlige debat efterlader det indtryk, at recirkulation starter her og nu, men det passer jo ikke. Man har genbrugt batterimaterialer i meget lang tid. Det har bare hidtil været vanskeligt og dyrt, men der er en rivende udvikling mod billigere og mere effektive metoder til genindvinding,” forklarer Poul Norby.

Tal fra Europa-Parlamentet viser, at i 2019 blev 51 pct. af bærbare batterier solgt i EU indsamlet til genanvendelse, men EU-politikerne arbejder på at stramme reglerne for at sikre en højere grad af genanvendelse – også af batterier fra f.eks. lagring og elbiler. 

”Stort set alle materialer i batterier skal i fremtiden genbruges – også selvom man ikke kan tjene penge på det,” forudser professoren.

Tesla og Volkswagen melder, at de allerede nu er i stand til at genbruge mere end 90 pct. af materialerne i egne batterier. Genanvendelsesprocessen bliver også unægteligt nemmere, når man skal skille 500 kg tunge batterier ad og sortere dem i brugbare bunker af råstoffer, end når man skal håndtere en blanding af mindre batterier fra eksempelvis mobiltelefoner og laptops, som alle indeholder forskellige typer metaller i varierende mængder.

”Nu får man de her store batterier, hvor man ved, præcis hvad de indeholder, hvordan de har været behandlet, og hvad de er lavet af. Så kan man også nemmere skille dem ad,” forklarer Poul Norby.

Der er også andre måder at tænke recirkulation af elbilbatterier på: Når ladekapaciteten bliver for ringe til, at batterier kan bruges i en bil, kan de f.eks. bruges til stationær lagring af strøm i små, lokale solcelleanlæg. Her vil man kunne samle en stak brugte batterier, som kan udgøre et lokalt lager i 10-15 år, før det bliver nødvendigt at pille batterierne fra hinanden og bruge råstofferne igen.

Ved på den måde at forlænge batteriernes levetid køber man sig også tid til at udvikle billigere og bedre måder at genanvende råstofferne på.