Eftersom man strävar efter materialoptimering för att förbättra batteriets toppprestanda är innovation inom batteritekniken avgörande. Sådan innovation drivs av initiativ som Faraday Battery Challenge (en del av den brittiska fonden ”Research and Innovation Challenge Fund”), där 541 miljoner pund har avsatts mellan 2017 och 2025 för att främja tillväxten av en stark batterisektor i Storbritannien. Vid Europeiska patentverket noterades 2023 en ökning på 28 % i antalet patentansökningar relaterade till batterier.
Hittills i berättelsen
Inom batteritekniken är både anoden, katoden och elektrolyten föremål för forskning och utveckling i syfte att tillverka och kommersialisera batterier som är hållbara, effektiva och prisvärda.
Det är uppenbart att de viktigaste faktorerna att beakta vid kommersialiseringen av ett batterimaterial är energitäthet, effekttäthet, kostnad och livslängd. Inom batteriindustrin måste man hitta en avvägning mellan dessa faktorer.
Enligt uppgifter från Europeiska patentverket är innovationsinsatserna fortfarande främst inriktade på litiumjonbatterier, där 45 % av de batterirelaterade patentansökningarna avser denna teknik, jämfört med 7,3 % för andra batterikemier, medan resten fokuserar på aspekter av tillverkning och teknik.
Hittills har de flesta tekniska framstegen inom litiumjonbatteritekniken inriktats på forskning och efterföljande implementering av nya katodmaterial. Dessa har stått i fokus för batteriforskningen eftersom de utgör den dyraste komponenten i batteriet. Vanliga katodmaterial baseras oftast på kobolt-, nickel- och manganoxider, och studier uppskattar att koboltlagren kommer att ta slut före 2030, baserat på nuvarande marknadsbehov. Därför är sökandet efter alternativa material avgörande för att minska beroendet av dessa sinande kobolttillgångar.
Nästa kapitel
Anodmaterial har inte undersökts i lika stor utsträckning, vilket innebär att det finns stora möjligheter att förbättra batteriets prestanda genom optimering av anoden, antingen enskilt eller i kombination med optimering av katoden.
I dagens litiumjonbatteriteknik används främst tre olika typer av anodmaterial: grafit, kisel och litiumtitanat (LTO).
Grafit är det överlägset vanligaste materialet; man uppskattar att 90–95 % av litiumjonbatterierna använder en grafitanod. Litiumjoner kan enkelt lagras under laddning genom interkalering mellan grafitskikten, och deinterkalering sker under urladdning. Grafit har en genomsnittlig energitäthet. Detta är det mest prisvärda av de tre materialen och har en acceptabel livslängd på mellan hundratals och ett par tusen cykler. Men även om effekttätheten vid urladdning är god finns det säkerhetsbegränsningar vid snabbladdning. Dessa säkerhetsbegränsningar kan hänföras till bildandet av litiumdendriter eller litiumplätering, där metalliska mikrostrukturer bildas på anoden under laddningsprocessen på grund av att anoden inte kan absorbera litiumjonerna i tillräcklig takt. Dessa litiumdendriter kan orsaka interna kortslutningar, vilket leder till katastrofala batterifel.
Anodmaterial av kisel eller kiseloxid förekommer i batterier med högre energitäthet. Den höga energitätheten hos den kiselbaserade anoden kan tillskrivas den höga kapaciteten att lagra litiumjoner – varje kiselatom kan binda upp till 3,75 litiumjoner, medan varje kolatom i grafit endast binder 1/6 av en litiumjon. Kisel eller kiseloxid kan blandas med grafit för att uppnå en förbättrad lagringskapacitet jämfört med anoder av ren grafit. Kiselbaserade anodmaterial är prisvärda – dyrare än grafit, men betydligt billigare än LTO – och effekttätheten är god. Det största problemet med kiselbaserade anodmaterial är deras livslängd. Vid interkalering eller deinterkalering av litiumjoner utsätts anodens struktur för stora volymförändringar, vilket begränsar livslängden till endast ett par hundra cykler.
LTO-anodmaterial kännetecknas av hög effekt och lång livslängd, som kan vara upp till tio gånger längre än hos grafit- och kiselbaserade batterier. Efter optimering kan man rimligen förvänta sig tiotusentals cykler, och LTO-baserade batterier laddas märkbart snabbare än andra alternativ. Det finns dock ett begränsat antal litiumjoner som kan rymmas i kristallstrukturen, vilket leder till att batteriet blir problematiskt stort; om man tar användning i en elbil som exempel skulle ungefär hälften av fordonet upptas av batteriet. Av samma anledning är batterier med LTO-anoder mycket dyra.
Aktuell forskning inom området anodmaterial omfattar utveckling av material baserade på hårt kol och mjukt kol. Dessa material klarar högre spänningar än grafit och förhindrar bildandet av dendriter, vilket förbättrar batteriets säkerhet. Utmaningar i samband med dessa material handlar bland annat om att minska sidoreaktioner och litiumförlust. Material med blandningar av nioboksid är också ett intressant anodmaterial, eftersom de uppvisar samma fördelar som LTO men har en mer konkurrenskraftig energitäthet och lägre kostnad.
Utvecklingspotential
Det finns uppenbarligen potential för vidare utveckling av anoder inom ett brett spektrum av användningsområden för att övervinna utmaningar och begränsningar i den nuvarande batteritekniken.
Enligt rapporten ”Battery 2030” från McKinsey förväntas behovet av litiumjonbatterier öka med cirka 27 % per år, och efterfrågan beräknas stiga från cirka 700 GWh år 2022 till omkring 4,7 TWh år 2030. Värdekedjan för litiumjonbatterier förutspås öka från cirka 85 miljarder dollar år 2022 till över 400 miljarder dollar år 2030.
Vi kan därför räkna med fortsatt innovation och patentering inom batteritekniken under de kommande åren.
Barker Brettell har specialiserade avdelningar inom fordons- och energisektorn som kan hjälpa och ge dig råd. Om du har en uppfinning som du vill skydda, tveka inte att kontakta författaren eller din vanliga advokat hos Barker Brettell.
”Det finns uppenbarligen potential för vidare utveckling av anoder inom ett brett spektrum av användningsområden för att övervinna utmaningar och begränsningar i den nuvarande batteritekniken.”
