Genbrug og nytænkning af batterier

Den hurtige stigning i salget af elbiler forårsager batterimangel. For at løse dette problem skal vi blive bedre til at genbruge de råvarer, der bruges i batterier, og accelerere udviklingen af ​​nye batterityper.

Det virker som en naturlig konsekvens af hans overbevisning, når professor Poul Norby nærmest lydløst kører sin elbil ind på parkeringspladsen ved DTU Lyngby Campus på vej til kontoret. Her fokuserer hans forskning på at skabe viden, der blandt andet kan bane vejen for bedre batterier i biler.

"I min optik løser elbilen langt flere problemer, end den skaber," siger professoren.

Den grønne status for elbiler har altid været meget omdiskuteret, især fordi produktionen af ​​elbilbatterier genererer væsentligt mere CO₂ end konventionelle bilbatterier, og udvindingen af ​​deres råmaterialer er potentielt problematisk.

Livscyklusanalyser af en elbils liv – fra samlebånd til ophugningsværk – viser dog, at elbiler i Danmark udleder markant mindre CO₂ samlet set end biler, der kører på benzin eller diesel. Derudover er der iværksat foranstaltninger for at sikre en mere miljøvenlig udvinding, der vil gavne minearbejderne såvel som miljøet.

Poul Norby er blot én blandt en voksende gruppe af mennesker, der investerer i en fossilfri fremtid ved at købe en elbil:Ifølge tal fra Det Internationale Energiagentur blev der sidste år solgt 6,6 millioner elbiler på verdensplan. Det er tre gange så mange som to år tidligere. Faktisk var det gennemsnitlige antal solgte elbiler på kun en uge i 2021 lig med det samlede antal solgte elbiler i hele 2013.

Denne hurtige stigning i salget fører til batterimangel. Dels fordi det bliver svært at udvinde råvarer som kobolt, lithium, nikkel og grafit, som i dag ofte bruges i batterier, hurtigt nok og ansvarligt. Og dels fordi efterspørgslen efter batterier sandsynligvis vil overstige produktionskapaciteten i en periode.

Pres på råvarer

I en undersøgelse fra april i år vurderede forskere fra KU Leuven i Belgien, at for at nå målet om at blive klimaneutral i 2050 vil Europa have brug for 36 gange så meget lithium og mere end fire gange så meget kobolt, som det gør nu. Dette vil skabe en kamp om ressourcer.

En måde at lette de uundgåelige flaskehalse på er ifølge Poul Norby at udvikle nye og bedre batterityper, der bruger mindre af de råvarer, der vil være mest efterspurgt.

Forsyningsudfordringen vil blandt andet fremskynde arbejdet med at finde alternativer til de lithium-ion-batterier, der i dag bruges i de fleste elbiler, og som stadig består af cirka 10 % kobolt, trods bestræbelser på at reducere mængden.

Der er allerede lavet omfattende forskning for at finde alternativer til kobolt, der blandt andet erstatter det med jern eller mangan. Dette får professoren til at komme med en dristig forudsigelse:

"Om fem år vil der ikke være kobolt i vores lithium-ion-batterier. Det er en meget dristig udtalelse, men det er der, vi er på vej hen, fordi kobolt er problematisk på så mange måder."

Hurtigere udviklingsproces

Batterivægt, ydeevne og pris spiller en stor rolle for, om noget er et interessant alternativ til det populære lithium-ion-batteri. De to første parametre er med til at sikre, at elbiler kan køre længst muligt på én opladning.

Poul Norby er sammen med en række DTU-kolleger en del af EU's hidtil største og dyreste batteriforskningsprojekt, BIG-MAP. Deres opgave er at udvikle en effektiv proces til at vurdere, hvilke materialer der er gode kandidater til udvikling af nye og effektive batterier, ikke bare til brug i biler, men til den grønne omstilling generelt.

"Ved at skabe en effektiv proces til udvikling, test og evaluering af nye materialer, kan vi i høj grad øge hastigheden af ​​materialeudviklingsprocessen. Så vi kombinerer teoretisk modellering med eksperimentelt arbejde og skaber en autonom maskinlæringsproces, der gør os i stand til at løbende evaluere og beslutte, hvilken vej vi skal gå videre,« siger han.

Deres arbejde bidrager med grundlæggende viden om materialer, der har en reel eller potentiel anvendelse som nye eller eksisterende materialer. På mange måder er det skridtet, der kommer før udviklingen af ​​nye batterier, men det er et væsentligt skridt for at undgå at arbejde med ideer, der i sidste ende viser sig at være ineffektive.

Næste udviklingstrin

Næste skridt i udviklingen af ​​nye batterier er ifølge Poul Norby solid-state batterier. I modsætning til nuværende lithium-ion-batterier er elektrolytten (dvs. forbindelsen mellem batteriets positive og negative poler) fast i stedet for flydende og er lavet af glas, mineraler eller polymerer.

Flere store bilproducenter har investeret massivt i udviklingen af ​​solid-state batterier, som forventes at være mere brandsikre, oplade væsentligt hurtigere og indeholde dobbelt så meget energi som de lithium-ion batterier, der findes i dag. Flere bilmærker har meddelt, at de forventer at have et brugbart solid-state batteri klar i 2025.

Ifølge Poul Norby er den ultimative drøm at have et lithium-luft-batteri med en energitæthed tæt på fossile brændstoffer - og som ikke kræver kobolt:

"Fordelene ved at udvikle et lithium-luftbatteri har altid været enorme, men det er utroligt svært at nå dertil. Hvis ikke for de enorme fordele, vi kan opnå, ville ingen nogensinde prøve det."

Ved at kombinere beregninger med eksperimentelt arbejde har DTU-forskere vist, at det i teorien er muligt at lave et lithium-luftbatteri. Det har dog indtil videre vist sig meget vanskeligt at opnå tilstrækkelig energieffektivitet, opladningshastighed og holdbarhed.

"Dette er bestemt noget, der kan revolutionere batteriteknologien, men det er langt væk, hvis det overhovedet er muligt," siger han.

Nyt liv til gamle batterier

Recirkulation vil også spille en vigtig rolle for at forhindre mangel på råvarer på længere sigt. Den førnævnte KU Leuven-undersøgelse anslår, at hvis Europa investerer stort nu, vil kontinentet kunne dække 40-75 % af behovet for råvarer til den grønne omstilling gennem genbrug alene.

"Den offentlige debat efterlader det indtryk, at recirkulation starter her og nu, men det er ikke rigtigt. Batterimaterialer er blevet genbrugt i meget lang tid. Det har været svært og dyrt indtil nu, men udviklingen af ​​billigere og mere effektive genanvendelsesmetoder er i bevægelse. hurtigt,« siger Poul Norby.

Tal fra Europa-Parlamentet viser, at i 2019 blev 51 % af de bærbare batterier, der blev solgt i EU, indsamlet til genbrug, men EU-politikerne arbejder på at justere reglerne for at sikre et højere niveau af genanvendelse, herunder af batterier fra lager og elbiler.

"Stort set alle materialer i batterier skal genbruges i fremtiden - også selvom det ikke er rentabelt," siger professor Norby.

Tesla og Volkswagen rapporterer, at de allerede kan genbruge mere end 90 % af materialerne i deres egne batterier. Naturligvis er genbrugsprocessen unægteligt nemmere, når det kommer til at skille 500 kg batterier ad og sortere dem i bunker af brugbare råvarer, end når man håndterer en blanding af mindre batterier fra f.eks. mobiltelefoner og bærbare computere, som indeholder forskellige typer metaller i varierende grad. beløb.

"Nu får vi de her store batterier, hvor du ved præcis, hvad der er i dem, hvordan de er blevet behandlet, og hvad de er lavet af. Det gør det også meget nemmere at skille dem ad," siger Poul Norby.

Der er også andre måder at tænke recirkulation af elbilbatterier på:Når ladekapaciteten bliver for dårlig til, at batterierne kan bruges i biler, kan de bruges til andre ting som at opbevare strøm i små, lokale solcelleanlæg. En stak brugte batterier kan danne en lokal lagerenhed i 10 til 15 år, før det er nødvendigt at skille batterierne ad og bruge råvarerne igen.

Ved at forlænge batteriernes levetid på denne måde kan vi også købe tid til udvikling af billigere og bedre måder at genbruge råvarerne på. + Udforsk yderligere

Batteridele kan genbruges uden at knuse eller smelte