skrivet av Helena Berg
Idag fortsätter vår omvärldsanalys av batteriforskningen i världen med en analys av USA, Japan och Sydkorea.
En kort sammanfattning är att i USA har USCAR har formulerat konkreta mål för olika typer av fordon och vad ett batteri måste/bör klara. I centrum för statliga forskningsanslag är Li-jon (nuvarande och nästa generation), Li-svavel, solid-state Li, och flödesbatterier, samt metodutveckling och forskning relaterad till BMS/BMU/Pack och säkerhet. Staten, akademin och industrin är delaktiga i forskningsnätverket JCESR där forskning har ett längre tidsperspektiv och kretsar kring multivalenta koncept och Li-syre.
I Japan bedrivs forskningen till största delen inom forskningsnätverket RISING där tydliga mål har formulerats – celler med en energitäthet på 300 Wh/kg, samt att man ska ha en plan hur 500 Wh/kg ska kunna nås. De flesta tekniker finns på agendan, men fokus är på att förstå och förbättra Li-jonbatterier (nuvarande och nästa generation), Na-jonbatterier, Zn-luftbatterier, och anjonledande koncept.
Majoriteten av de statliga satsningarna i Sydkorea sker via forskningsnätverk lokaliserade vid instituten. Målet med ett av programmen är att 2020 ha en energitäthet på packnivå på 300 Wh/kg och en räckvidd på 400 km på en laddning. Akademi och industri nätverkar genom Korean Battery Association. Sydkorea satsar, precis som Japan, på de flesta lovande koncept där fokus är att förstå och förbättra Li-jonbatterierna (nuvarande och nästa generation), samt Na-jon.
USA
I USA görs flera större statliga satsningar inom batteriforskningen: Vehicle Technology Office (VTO) [1]; Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E) [2]; och Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) [3]. Den totala budgeten för 2016 för dessa tre satsningar var 92,5 M$ (ca 850 MSEK). Riktade satsningar för fordonsbatteriforskningen stöttas även av United States Council for Automotive Research (USCAR), som även satt konkreta mål för batterier till olika typer av elektrifierade fordon [4].
Målet för VTO är att 2020 lyckats reducera produktionskostnaden av ett batteri till en BEV till 125 $/kWh. Programmet är uppbyggt på tre hörnstenar: nya material och koncept, celldesign och applikationsanpassning. I fokus står nästa generations Li-jonbatterier med anoder baserade på kisel eller metalliskt litium och katod- och elektrolytmaterial för högre cellspänning (4,7 – 5,0 V). Målen på cellnivå är 350 Wh/kg, 750 Wh/L, 1000 cykler och en livslängd på minst 10 år. Allt detta sammantaget ska bidra till målet på 125 $/kWh på packnivå.
Programmet i stort studerar hela fältet från fundamentala kemiska och fysikaliska begränsningar, hur elektroder och celler ska tillverkas, till att designa system för fordon. Koncept inom en längre tidshorisont finns även med bland projekten och rör Na-jonbatterier och Li-metall-koncept: Li-metallbatterier, Li-svavel och Li-syre.
För 2016 var budgeten för VTOs batterisatsningar 33 M$ (varav 18 M$ statliga medel). Tillämpad batteriforskning (främst applikationsanpassning) utgjorde 21% av budgeten och nya batterikoncept 17%. Drygt hälften (53%) av bidragen 2016 avser forskning kring Li-jonbatterier och 11% används för forskning kring packdesign.
ARPA-E hittills finansierat batteriforskning med 84 M$ och de största satsningarna på batteriområdet görs på all-solid-state Li-batterier (mestadels för fordon) och flödesbatterier (mestadels för stationär energilagring).
Den av USAs satsningar som har längst tidsperspektiv är JCESR, ett forskningsnätverk av akademi, nationella lab och industri. Vi har tidigare skrivit om JCESR och målsättningen med forskningen: 5 gånger högre energitäthet, till 1/5 av priset och detta på 5 år (5-5-5-målet). De huvudsakliga forskningsområdena är multivalenta koncept, Li-svavel, Na-svavel och Li-syre, samt flödesbatterier baserade på organiska koncept för stationära applikationer. Materialforskningen är central men för att göra rätt beslut bedrivs interdisciplinära tekno-ekonomiska studier för att skapa bättre förutsättningar för applikationsförståelsen. Tyvärr går det inte att få en bild över hur de olika områdena prioriteras i termer av budget.
Japan
Den statliga batteriforskningen i Japan ska underlätta för en bredare introduktion av solceller, elfordon och smarta nät. Forskningen finansieras via New Energy Development Organisation (NEDO) och budgeten 2016 för batterirelaterad forskning var 4,8 miljarder ¥ (ca 420 MSEK). Största forskningsprojektet är Research & Development Initiative for Scientific Innovation of New Generation Batteries (RISING) [5] med en årlig budget på 3 miljarder ¥.
Syftet med RISING är att Japan år 2030 ska vara världsledande inom batterier, och målet är att 2020 visa upp fullskaliga fordonsceller med en energitäthet på 300 Wh/kg, samt att man ska ha en plan hur 500 Wh/kg ska kunna nås. Ett annat syfte med RISING är att skapa ett japanskt batterinätverk. Kyoto University och National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) är de som leder både nätverket och genomför majoriteten av forskningen. I nätverket finns 32 partners från universitet, institut och företag.
Fundamental förståelse av mekanismerna i både dagens och morgondagens Li-jonbatterier är på agendan. Med avancerade metoder analyseras celler under drift för att förstå mekanismerna bakom prestanda, livslängd och säkerhet. Detta görs med små labceller så väl som fullskaliga celler för fordon. Utifrån dessa studier tas nya och förbättrade material fram. Även hur celldesignen kan optimeras för att bättre utnyttja kapaciteten finns med i RISING. Hur budgeten fördelas mellan de olika aktiviteterna framgår inte och inte heller hur många forskare som är engagerade. Två tekniker som finns på agendan, förutom Li-jonbatterier, är Zn-luft och anjon-ledande koncept. Det senare bygger på samma idé som för Li-jonbatterier, men där det är anjonen som cyklas istället för katjonen i Li-jonfallet.
Sydkorea
Sydkorea är kanske det land, tillsammans med Japan, som satsar stort på forskning kring Li-jonceller i världen. Ledande företag för fordonsanpassade celler är t.ex. LG Chem, Samsung och SK Innovation. Idag är batteriindustrin en av Sydkoreas främsta högteknologiska sektorer.
Mycket av forskningen och utvecklingen av högkvalitativa Li-jonceller görs på företagen med enorma forskningsavdelningar. Koreanska staten satsar på batteriforskning, främst via statliga institut: Korean Institute of Science and Technology (KIST) [6], Korean Electronics Technology Institute (KETI) [7] och Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) [8]. Dock är det svårt att hitta budget för satsningarna.
Vid KIST bedrivs grundforskning så väl som tillämpad forskning kring batterimaterial för Li-jon, Na-jon, Li-svavel, redox flow, superkondensatorer, all-solid Li. Tillämpningsområden är stationär lagring, elfordon, bärbar elektronik och medicinsk utrustning. Även olika tillverkningsmetoder och cellformat behandlas, så som tredimensionella mikrobatterier och tunnfilmsbatterier. KETI bedriver även forskning kring celloptimering för PHEV och BEV. De studerar även Li-svavel och Li-syre, och flödesbatterier för stationär lagring. KERI däremot verkar inte bedriva egen batteriforskning, men väl forskning på teknologier där batterier ingår.
Ministry of Trade Industry and Energy lanserade i september 2016 ett forskningsprogram på 38 MUSD för forskning kring uppladdningsbara batterier för elfordon [9]. Målet är att 2020 ha en energitäthet på packnivå på 300 Wh/kg och en räckvidd på 400 km på en laddning. Inom programmet finns 27 privata företag, inkl. Hyundai och LG Chem. Nästa generations Li-jonbatterier med Ni-rika katoder, Si-baserade anoder och stabila elektrolyter finns på agendan.
2011 startade Korean Battery Association (K-BIA) [10] i syfte att öka den allmänna medvetenheten för den koreanska batteriindustrin och att stärka landets konkurrenskraft inom uppladdningsbara batterier. K-BIA arrangerar konferenser, fungerar som gemensam kraft mot staten och har 66 medlemmar, där de tre forskningsinstituten ingår tillsammans med ledande industrier: Samsung, LG Chem, SK Innovation, Kokam, EIG, Umicore, Hyundai och kemi- och elektronikföretag.
Referenser
[1] DOE
[2] ARPA-e
[3] JCESR
[4] Länk
[5] Rising
[6] KIST
[7] KETI
[8] KERI
[9] länk
[10] K-BIA
