Næringsliv: Forskningskappløp om god batterikjemi

Om kort tid starter byggingen av en fabrikk på Herøya som skal lage de første norske batteriene til elbiler. Bak satsingen står Miljøbil Grenland og Miljø Innovasjon i samarbeid med det indiske industrikonglomeratet Tata. 400 millioner kroner skal investeres i fabrikken. Tatas bilmodell Indica skal skipes fra India og utstyres med batteriene på Herøya.

Fabrikken blir den eneste i Norge. Men internasjonalt er den en av mange som for tiden planlegges for å utvikle og produsere batterier til el- og hybridbiler, der litium er den viktigste ingrediensen. Det er i prinsippet den samme typen batterier som brukes i mobiltelefoner og bærbare PC-er. Men når de skal plasseres i biler, må de ha mye større kraft og tåle atskillig større påkjenninger.

Det handler om kjerneteknologien i el- og hybridbilen. Den som klarer å lage det perfekte batteriet, som gjør el- og hybridbilen så god og rimelig at den blir den foretrukne folkebilen, kan se frem til store markedsandeler og store fortjenestemuligheter i et stadig mer miljøbevisst marked.

Batteriene på Herøya skal lages på lisens fra det kanadiske batteriteknologiselskapet Electrovaya, som også har eierandeler i de norske selskapene. Ivar Brynildsen, administrerende direktør i Miljø Innovasjon, er klar over at konkurransen er beinhard, men han gleder seg over å være en av de første som skal starte masseproduksjon av litiumbatteri til elbil. Hvis alt går etter planen skal produksjonsutstyret installeres i høst.

– Jeg tror det er et mulighetsvindu som åpnes akkurat nå. Gjennom den lisensen vi har kjøpt, har vi spart ett eller to år og fått et forsprang. Vi har teknologien, nå er utfordringen å utnytte den mest mulig kostnadseffektivt, sier han.

Mot revolusjon

El- og hybridbilen er aldri blitt mer enn en liten nisje i bilmarkedet. Mange tror de nye plug-in-bilene som lanseres neste år, skal være starten på et større gjennombrudd. Dette er hybridbiler som kan lades opp fra strømnettet når bilen står i ro. Men plug-in-bilene er avhengig av at batteriteknologien blir bedre.

• Revolusjon: Analytikere, forskere og andre eksperter som følger el- og hybridbilmarkedet er overbevist om at de nye litiumbatteriene har potensial til å revolusjonere el- og hybridbilen.
• Jakter miks: Store summer settes inn på å utvikle litiumbatteriene. Enorme markedsmuligheter venter den som klarer å finne den riktige miksen som gir både kraft, rekkevidde, sikkerhet og lav pris.
• Tar tid: Den første serieproduksjonen av elbiler med litiumbatterier starter i vår. Men et eventuelt større gjennombrudd for elbilen kan ta flere år. Det avhenger av at batteriene blir rimeligere, får lenger rekkevidde og at det blir enklere å lade.

Elbil i 1900

Elbilen har en som går historie tilbake til begynnelsen av 1900-tallet. Hovedparten av bilene på den tiden var elektriske, med blybatterier som bokstavelig talt var blytunge, og som hadde svært begrenset kapasitet. Dermed ble bensinmotoren den foretrukne.

På 1990-tallet blir elbilen forsøkt gjenopplivet. Batterier gir energi gjennom kjemiske reaksjoner, og batterier med grunnstoffene nikkel og kadmium, nikkelkadmiumbatteriene, viser seg å fungere mye bedre enn de gamle blybatteriene. Batteriutvikling handler grunnleggende om å skvise mest mulig energi inn i et minst mulig batteri, det vil si oppnå en høyest mulig energitetthet. Det gir også størst rekkevidde. Med nikkelkadmiumbatteriene øker energitettheten og bilene kan kjøre atskillig lenger enn på blybatterier. De første norske Think-bilene går på disse batteriene. Men fremskrittene på batterifronten er ikke på langt nær nok til at elbilen får noe stort gjennomslag verken i Norge eller internasjonalt.

Kadmium, som er et miljøfarlig tungmetall, blir etter hvert forbudt å bruke i batterier og erstattes med metallhydrid. Nikkelmetallhydridbatteriene, som brukes i de fleste hybridbiler i dag, blir enda lettere, de leverer enda mer effekt, er enklere å lade opp, og etter hvert er rekkevidden kommet opp i 150-200 kilometer. De er dyre, men siden hybridbilene kun trenger små batterier, betyr ikke prisen så mye. For rene elbiler som trenger større batterier, blir imidlertid batterikostnaden så stor at de praktisk talt ikke er i bruk i disse bilene. Think går i stedet over til et batteri fra det sveitsiske firmaet MES-DEA, med nikkel og natrium (koksalt) som de viktigste ingrediensene og med en rekkevidde på 180 kilometer.

Til sitt bruk og på kortere turer fungerer de utmerket. Men verken el- eller hybridbilene er blitt massenes favoritt. En rekkevidde på oppunder 200 kilometer holder frem og tilbake til jobben for de fleste. Men skal man på hytta i helgen, risikerer man å komme til kort. Ladestasjoner er fortsatt lite utbredt.

Derfor forskes det videre. Nye stoffer og legeringer mikses i batterienes celler, og cellene formes og kobles sammen på forskjellige måter. Det grunnstoffet som virkelig har fått elbilentusiastene til å få igjen fremtidstroen, er litium. Litiumbatterier gjorde mobiltelefon- og laptoprevolusjonen de siste tiårene mulig. Lette og tunge verktøy, fra drill til sirkelsag, går etter hvert på litiumbatterier. Nå står altså bilen for tur, og en rekke varianter med forskjellige kjemiske sammensetninger, ulike celler og tekniske løsninger, testes i laboratorier og prøves ut.

Kraftbombe

Litiumbatteriet er en liten kraftbombe: Det gir mye effekt, tar liten plass og er lett. Ulempen er at det krever ekstra sikkerhetsforanstaltninger. Hvis ikke kan batteriet eksplodere. Det inneholder nemlig en rekke brennbare stoffer som må holdes under kontroll. I 2006 og 2007 brukte tre store batteriprodusenter til sammen 550 millioner dollar på «battery recalls», situasjoner der produksjonsfeil førte til at gigantiske partier av batterier måtte trekkes tilbake. Blant annet ble batterier i 46 millioner Nokia-telefoner kalt tilbake.

En annen ulempe er at høy energitetthet gjerne går på bekostning av levetid. For en mobiltelefon forventer vi kanskje ikke en levetid på mer enn noen år, men en bil skal fortsatt kjøre mange mil når mobilen klapper sammen.

Noen få produsenter, blant andre den amerikanske elbilprodusenten Tesla, har rullet ut de første bilene som går på litium. Rekkevidden skal være på hele 350 kilometer. De første elbilene med litiumbatterier for serieproduksjon kommer i løpet av våren. Og litiumplanene er mange og store, selv om det tar tid. Toyotas Prius-satsing illustrerer dette:

Toyota sa i 2007 at den neste hybridbilen av typen Prius skulle ha litiumbatteri, men de turde likevel ikke. Siste nytt er imidlertid at det nå er endelig bestemt at tredje generasjon Prius, som er en plug-in-hybrid og som skal rulles ut i Japan senere i år og i Europa neste år, skal ha litiumbatterier. I et intervju med det britiske bilmagasinet Autocar sist uke sier visepresident Masatami Takimoto at selskapet nå har lagt litiumskepsisen bak seg.

– De siste seks månedene har vi hatt stor fremgang i utviklingsprosessen med litiumbatteriene. Vi er nå overbevist om at de kan brukes i våre fremtidige plug-in-hybrider og rene elbiler, selv om våre rimeligere hybridmodeller vil fortsette å bruke nikkelmetallhydridbatterier, sier han.

Prius-historien illustrerer også noen av de dilemmaene bilprodusentene står overfor. Valg av bilbatteri innebærer valg av kompromisser. Man kan ikke alltid få alle de egenskapene man ønsker seg. Man må velge, og spørsmålet er hva som er viktigst, levetid, ladetid, kraft, rekkevidde eller pris. Den nye Prius-modellen får et batteri med en rekkevidde på bare 30 kilometer før bensinmotoren slår inn og starter oppladingen. Til gjengjeld blir batteriet lite, og prisen presses ned. Konkurrenten, General Motors’ Chevrolet Volt, som også får litiumbatterier og lanseres sent i 2010, får på sin side en batterirekkevidde på over det dobbelte. Men den vil antagelig koste mer, og en fersk rapport som også ble publisert sist uke, setter spørsmålstegn ved om GMs Volt vil klare å ta opp konkurransen med Prius. Tiden vil vise hva kundene vil foretrekke.

Også Think hadde planer om å lansere litiumbatterier i år, levert av de amerikanske produsentene A123 og EnerDel, men dette er blitt utsatt på grunn av Thinks økonomiske problemer.

Markedsmuligheter venter

For tiden brukes det mer forskningspenger på litiumbatterier enn på noen andre batterityper. Analytiker Menahem Anderman i Total Battery Consulting i California anslår ifølge The Economist at markedet for elbilbatterier vil tredobles frem til 2015 og utgjøre 2,3 milliarder dollar (16 milliarder kroner). Litiumbatterier kan ta en markedsandel på to tredjedeler, anslår han.

Teknisk direktør Egil Mollestad i Think tror at de optimistiske litiumanslagene kan slå til, og at de fleste Think-bilene i fremtiden vil bli utstyrt med litiumbatterier.

– De fleste jobber med litiumbatterier som leverer mye kraft. Dette gir mest effekt og trøkk, og passer godt til hybridbiler. Vi som har en ren elbil, har valgt en litiumkjemi med lavere effekt, men med større energitetthet og dermed også større rekkevidde, sier han.

– Det forskes på dette over hele verden nå. Den dagen el- og hybridbil tar av og man får disse bilene inn i familiebilsegmentet, vil det bli en kolossal business. Det er vanskelig å si når det vil ta av, siden det gjerne er myndighetskrav som driver utviklingen i bilindustrien. Hovedproblemet i dag er at batteriene er altfor kostbare. Prisen må ned slik at volumet kan gå opp, og problemet er selvfølgelig at det er vanskelig å få prisen ned før volumet har økt. Men den grunnleggende teknologien er i alle fall på plass, sier Mollestad.

Han tror det i løpet av noen år vil være mulig å hurtiglade batteriene på 10-15 minutter, og at energitettheten kan dobles, noe som vil bety betraktelig mer energi i enda mindre batterier.

Seniorøkonomi John Magne Skjelvik i Econ Pôyry har nylig levert en rapport om lavutslippskjøretøy i Norge frem mot 2020. Han tror det kan ta fem til ti år før hybrid- og elbiler kan ha mulighet til å få et virkelig stort gjennombrudd, og kanskje nærmere 10 enn fem.

– Hvis elbilen skal få noe gjennombrudd og bli allemannseie, så er det på batterifronten det må skje noe. Det handler om både kapasitet og sikkerhet, og batteriene må kunne lades raskere. Bilen må bli like fleksibel som en bensinbil, sier Skjelvik.