Resurseffektivt och klimatvänligt med natriumjonbatterier

Omställningen till ett samhälle utan fossila bränslen innebär att behovet av batterier ökar i snabb takt. Samtidigt kommer ökningen att innebära en brist på metallerna litium och kobolt som ingår i de vanligaste batterityperna. Ett alternativ är natriumjonbatterier, med koksalt och biomassa från skogsindustrin som huvudsakliga råmaterial. Nu visar forskare från Chalmers att dessa har en likvärdig klimatpåverkan som litiumjonbatterier – utan risken att råvarorna tar slut.

− Materialen vi använder i framtidens batterier kommer att vara viktiga för att kunna ställa om till förnybar energi och fossilfri fordonsflotta, säger Rickard Arvidsson, docent i miljösystemanalys vid Chalmers.

Enligt EU-kommissionens akt om kritiska råvaror förväntas efterfrågan på sällsynta batterimaterial öka exponentiellt i takt med att EU-länderna övergår till förnybara energisystem och elfordon. Den gröna omställningen kommer också att kräva mer lokal produktion av batterier och annan ny fossilfri teknik, och en god tillgång till råvaror behövs för att tillgodose efterfrågan. Samtidigt innebär en sådan produktion en hög risk för leveransavbrott, på grund av att källorna till råmaterial är så få.

− Litiumjonbatterier är på väg att bli en dominerande teknik i världen­­­ och den är bättre för klimatet än fossilbaserad teknik, i synnerhet när det gäller transporter. Men litium innebär en flaskhals. Man kan inte producera litiumbaserade batterier i samma takt som man önskar producera elbilar, och fyndigheterna riskerar att bli utarmade på lång sikt, säger Rickard Arvidsson. Dessutom utvinns andra kritiska batterimaterial, som litium och kobolt, främst på några få platser i världen, vilket utgör en risk för tillgången.

Natriumbatterier – en lovande teknik
Utvecklingen av nya batteritekniker går snabbt i jakten på nästa generations batterier – som gärna ska hålla länge, ha hög energitäthet och vara enkla att producera. Forskargruppen på Chalmers valde att titta på natriumjonbatterier, som innehåller natrium – ­ett mycket vanligt ämne som finns i koksalt – istället för litium. I en ny studie har de gjort en så kallad livscykelanalys av batterierna, där de har undersökt deras totala miljöpåverkan och materialåtgång vid råvaruutvinning och tillverkning.

− Vi kom fram till att natriumjonbatterier är mycket bättre än litiumjonbatterier när det gäller påverkan på mineralresurser, och likvärdiga när det gäller klimatpåverkan. Beroende på vilket scenario man tittar på hamnar de på mellan 60 och strax över 100 kilo koldioxidekvivalenter per kilowattimme teoretisk lagringkapacitet, vilket är lägre än vad som tidigare rapporterats för denna typ av natriumjonbatterier. Det är helt klart en lovande teknik, säger Rickard Arvidsson.

Forskarna identifierade även andra åtgärder med potential att ytterligare minska klimatpåverkan, såsom att utveckla en miljömässigt bättre elektrolyt eftersom den utgjorde en stor del av batteriets totala påverkan.

Grön energi kräver energilagring
Dagens natriumjonbatterier förväntas redan nu kunna användas för stationär energilagring i elnätet, och med fortsatt utveckling kommer de sannolikt också användas i elfordon i framtiden.

− Energilagring är en förutsättning för utbyggnaden av vind- och solkraft. Givet att lagringen sker med batterier är frågan vad de batterierna ska tillverkas av? Ökad efterfrågan på litium och kobolt kan bli ett hinder för den utvecklingen, säger Rickard Arvidsson.

Den stora fördelen med tekniken är att materialen i natriumjonbatterierna är rikligt förekommande och finns över hela jorden. Den ena elektroden i batterierna – katoden – har natriumjoner som laddningsbärare, och den andra elektroden – anoden – består i de exempel Chalmersforskarna har undersökt av hårt kol som kan tillverkas av biomassa från skogsindustrin. Även vad gäller produktionsprocesser och geopolitik är natriumjonbatterier ett alternativ som kan skynda på övergången till ett fossilfritt samhälle.

− Batterier baserade på rikligt förekommande råmaterial skulle kunna minska geopolitiska risker och beroenden av specifika regioner, både för batteritillverkare och länder, säger Rickard Arvidsson.

Mer om studien
Studien är en prospektiv livscykelanalys av två olika natriumjonbattericeller där miljö- och resurspåverkan beräknas från vagga till port, alltså från råvaruutvinning till och med battericellens tillverkning. Den funktionella enheten är 1 kWh teoretisk lagringskapacitet på cellnivå. Båda cellerna baseras huvudsakligen på rikligt förekommande råmaterial. Anoden utgörs av hårt kol från antingen biobaserat lignin eller fossila material, och katoden utgörs av så kallad ”preussiskt vitt” (bestående av natrium, järn, kol och kväve). Elektrolyten innehåller ett natriumsalt. Tillverkningen är modellerad för att motsvara en framtida, storskalig tillverkning. Exempelvis baseras själva tillverkningen av battericellen på dagens storskaliga tillverkning av litiumjonbatterier i gigafabriker.

Två olika elmixar testades, samt två olika typer av så kallade allokeringsmetoder – det vill säga fördelning av resurser och utsläpp. En där klimat- och resurspåverkan fördelas mellan huvudprodukter och biprodukter baserat på deras massa, och en där huvudprodukten (natriumjonbatteriet samt dess komponenter och material) belastas med all påverkan.

Artikeln Prospective life cycle assessment of sodium-ion batteries made from abundant elements har publicerats i Journal of Industrial Ecology. Studiens författare är Rickard Arvidsson, Sanna Wickerts, Anders Nordelöf, Magdalena Svanström och Patrik Johansson. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola.

Studien har finansierats av Energimyndigheten via Batterifondsprogrammet.

För mer information, vänligen kontakta:

Rickard Arvidsson, docent, institutionen för teknikens ergonomi och organisation, Chalmers tekniska högskola, 031 772 21 61, rickard.arvidsson@chalmers.se