Den snabba ökningen av elbilsförsäljningen orsakar batteribrist. För att lösa detta problem måste vi bli bättre på att återvinna de råvaror som används i batterier och påskynda utvecklingen av nya batterityper.

Det verkar som en naturlig följd av hans övertygelse när professor Poul Norby nästan tyst kör sin elbil in på parkeringen vid DTU Lyngby Campus på väg till kontoret. Här fokuserar hans forskning på att skapa kunskap som bland annat kan bana väg för bättre batterier i bilar.

– Enligt min uppfattning löser elbilen mycket fler problem än den skapar, säger professorn.

Elbilarnas gröna status har alltid diskuterats hårt, särskilt eftersom produktionen av elbilsbatterier genererar betydligt mer CO₂ än konventionella bilbatterier, och utvinningen av deras råmaterial är potentiellt problematisk.

Livscykelanalyser av en elbils liv – från löpande band till skrot – visar dock att elbilar i Danmark släpper ut betydligt mindre CO₂ totalt sett än bilar som körs på bensin eller diesel. Dessutom har åtgärder vidtagits för att säkerställa en miljövänligare utvinning som kommer att gynna såväl gruvarbetarna som miljön.

Poul Norby är bara en i en växande grupp människor som investerar i en fossilfri framtid genom att köpa en elbil:Enligt siffror från International Energy Agency såldes 6,6 miljoner elbilar världen över förra året. Det är tre gånger så många som två år tidigare. Faktum är att det genomsnittliga antalet sålda elbilar på bara en vecka 2021 var lika med det totala antalet sålda elbilar under hela 2013.

Denna snabba försäljningsökning leder till batteribrist. Dels för att det blir svårt att utvinna råvaror som kobolt, litium, nickel och grafit, som idag ofta används i batterier, tillräckligt snabbt och ansvarsfullt. Och delvis för att efterfrågan på batterier sannolikt kommer att överstiga produktionskapaciteten under en period.

Tryck på råvaror

I en studie från april i år uppskattade forskare från KU Leuven i Belgien att för att nå målet att bli klimatneutralt till 2050 kommer Europa att behöva 36 gånger så mycket litium och mer än fyra gånger så mycket kobolt som nu. Detta kommer att skapa en kamp om resurser.

Enligt Poul Norby är ett sätt att lindra de oundvikliga flaskhalsarna att utveckla nya och bättre batterityper som använder mindre av de råvaror som kommer att efterfrågas mest.

Försörjningsutmaningen kommer bland annat att påskynda arbetet med att hitta alternativ till de litiumjonbatterier som används i de flesta elbilar idag och som fortfarande består av cirka 10 % kobolt, trots försök att minska mängden.

Det har redan gjorts omfattande forskning för att hitta alternativ till kobolt, bland annat ersätta den med järn eller mangan. Detta får professorn att göra en djärv förutsägelse:

"Om fem år kommer det inte finnas kobolt i våra litiumjonbatterier. Det är ett väldigt djärvt uttalande, men det är dit vi är på väg, eftersom kobolt är problematiskt på så många sätt."

Snabbare utvecklingsprocess

Batterivikt, prestanda och pris spelar en stor roll för att avgöra om något är ett intressant alternativ till det populära litiumjonbatteriet. De två första parametrarna hjälper till att se till att elbilar kan köra så länge som möjligt på en laddning.

Tillsammans med ett antal DTU-kollegor ingår Poul Norby i EU:s hittills största och dyraste batteriforskningsprojekt, BIG-MAP. Deras uppgift är att utveckla en effektiv process för att bedöma vilka material som är goda kandidater för utveckling av nya och effektiva batterier, inte bara för användning i bilar utan för den gröna omställningen i allmänhet.

"Genom att skapa en effektiv process för att utveckla, testa och utvärdera nya material kan vi avsevärt öka hastigheten på materialutvecklingsprocessen. Så vi kombinerar teoretisk modellering med experimentellt arbete och skapar en autonom maskininlärningsprocess som gör det möjligt för oss att kontinuerligt utvärdera och besluta vilken väg vi ska gå härnäst, säger han.

Deras arbete bidrar med grundläggande kunskap om material som har en verklig eller potentiell användning som nya eller befintliga material. På många sätt är det steget som kommer före utvecklingen av nya batterier, men det är ett viktigt steg för att undvika att arbeta med idéer som i slutändan visar sig vara ineffektiva.

Nästa utvecklingssteg

Enligt Poul Norby är nästa steg i utvecklingen av nya batterier solid state-batterier. Till skillnad från nuvarande litiumjonbatterier är elektrolyten (d.v.s. kopplingen mellan batteriets positiva och negativa poler) fast istället för flytande och är gjord av glas, mineraler eller polymerer.

Flera stora biltillverkare har satsat hårt på utvecklingen av solid-state-batterier, som förväntas vara mer brandsäkra, ladda betydligt snabbare och innehålla dubbelt så mycket energi som de litiumjonbatterier som finns idag. Flera bilmärken har meddelat att de räknar med att ha ett användbart solid-state-batteri klart till 2025.

Enligt Poul Norby är den ultimata drömmen att ha ett litium-luftbatteri med en energitäthet nära den för fossila bränslen – och som inte kräver kobolt:

"Fördelarna med att utveckla ett litium-luftbatteri har alltid varit enorma, men att ta sig dit är otroligt svårt. Om det inte vore för de enorma fördelar vi kommer att få, skulle ingen någonsin försöka det."

Genom att kombinera beräkningar med experimentellt arbete har DTU-forskare visat att det i teorin är möjligt att tillverka ett litium-luftbatteri. Det har dock hittills visat sig mycket svårt att uppnå tillräcklig energieffektivitet, laddningshastighet och hållbarhet.

"Det här är definitivt något som skulle kunna revolutionera batteritekniken, men det är långt kvar, om det ens är möjligt", säger han.

Nytt liv för gamla batterier

Återcirkulationen kommer också att spela en viktig roll för att på sikt förhindra brist på råvaror. Den tidigare nämnda KU Leuven-studien uppskattar att om Europa investerar stort nu, kommer kontinenten att kunna täcka 40–75 % av behovet av råvaror för den gröna omställningen enbart genom återvinning.

"Den offentliga debatten lämnar intrycket av att återcirkulationen startar här och nu, men det är inte sant. Batterimaterial har återvunnits under mycket lång tid. Det har varit svårt och dyrt hittills, men utvecklingen av billigare och effektivare återvinningsmetoder rör på sig snabbt", säger Poul Norby.

Siffror från EU-parlamentet visar att under 2019 samlades 51 % av de bärbara batterier som såldes i EU in för återvinning, men EU:s politiker arbetar med att justera reglerna för att säkerställa en högre återvinningsnivå, bland annat av batterier från lager och elbilar.

"I stort sett allt material i batterier kommer att behöva återvinnas i framtiden, även om det inte är lönsamt", säger professor Norby.

Tesla och Volkswagen rapporterar att de redan kan återvinna mer än 90 % av materialen i sina egna batterier. Naturligtvis är återvinningsprocessen onekligen enklare när det gäller att plocka isär 500 kg batterier och sortera dem i högar av användbara råvaror än när man hanterar en blandning av mindre batterier från t.ex. mobiltelefoner och bärbara datorer, som innehåller olika typer av metaller på olika sätt. belopp.

"Nu ska vi få de här stora batterierna där du vet exakt vad som finns i dem, hur de har behandlats och vad de är gjorda av. Det gör det också mycket lättare att ta isär dem", säger Poul Norby.

Det finns även andra sätt att tänka kring återcirkulation av elbilsbatterier:När laddningskapaciteten blir för dålig för att batterierna ska kunna användas i bilar kan de användas till annat som att lagra ström i små, lokala solcellsanläggningar. En bunt använda batterier kan bilda en lokal lagringsenhet i 10 till 15 år innan det är nödvändigt att plocka isär batterierna och använda råvarorna igen.

Genom att förlänga batteriernas livslängd på detta sätt kan vi också köpa tid för utveckling av billigare och bättre sätt att återvinna råvarorna. + Utforska vidare

Batteridelar kan återvinnas utan att krossas eller smälta