Niob er et metall som ifølge Society of Automotive Engineers (SAE) kraftig forbedrer ytelsen i en av litium-ion-batteriets elektrodetyper – LTO-anoden (litium titan oksid). Etter grafitt er LTO mest brukt. Med niob blir den enda bedre.
Bildet øverst: Moderne elbiler kan selvsagt komme til å nyte godt av de nye niob-baserte batteriene som kommer fra Toshiba – en eller annen gang. (Foto: KIA)
Av Stein Bekkevold
Aller først
Et el-batteri består av elektrokjemiske celler med ytre tilkobling som driver elektriske enheter. Slik virker for eksempel blybatteriet: Når det er oppladet er pluss-elektroden blydioksid (PbO2) i fast form, mens den negative er porøst bly, bly-svamp. Elektrolytten – den ledende væsken, er vann-fortynnet svovelsyre.
Når strøm tas ut, senkes mengden blydioksid på plusspolen fordi oksygen-ioner (elektrisk ladde atomer) svermer ut i elektrolytten og kobler seg til hydrogen-ioner, altså vannmolekyler. Ioner i svovelsyren flytter seg til begge poler og blir blysulfat. Elektrolytten er altså aktiv i lade/utlade-prosessen, og blir vann når batteriet tappes.
Sånn sett lagres strømmen fra din vekselstrøm-generator på kjemisk måte som likestrøm – etter å ha passert en likeretter. Omfattende greier. Li-Ion-batteriet for elbiler er egentlig helt likt, men hovedmetallet der er klodens letteste metall, litium.
Et batteri kan lagre en gitt mengde energi, bestemt av mengden aktivt elektrodemateriale. Når dette er oppbrukt, er batteriet tomt. Produktet av batteriets spenning, utladestrøm og utladetid gir den samlede elektriske energien i kWh. Husk at den synker ved overbelastning, lav/høy temperatur eller mekaniske laster.
Det heter seg at du uten videre kan redusere oppgitt maks kapasitet med 10 posent for å finne den utnyttbare; et batteri på 70 kWh kan du betrakte som et på 63 kWh. Bruker bilen 2 kWh på mila har du rekkevidden …
Li-ion
Når litium-ion-batteriet lades, går litium-ioner (i blybatteriet var det blyoksid) ut fra positiv katode via elektrolytten og legger seg med høyere energi på anoden, minuspolen. Under utlading snus dette, og elektroner strømmer ut for å drive noe. Viktigst i anoden er derfor stor overflate der millioner av litiumioner kan lagres, med høy batterikapasitet. Det er mengden anodemateriale som skaper batterikapasiteten!
Og det sjeldne metallet niob kan altså skape enda bedre anoder – og batterier. Det er viktig at anoden har åpen struktur med lav motstand mot ion-bevegelse, slik at vi får kjapp opplading/utlading.
Karbon i li-ion-batterianoder gir et enormt overflateareal, men volumet går opp og ned når ioner går inn og ut, vi får sykliske laster. Dette gjør at partikler løsner og skaper selvutlading. En fersk rapport fra SAE viser dette.
Slike anoder kan dessuten få et belegg av metallisk litium med hårliknende utvekster – som “whiskers” på tinn. Disse perforerer membranen mellom polene, og gir selvutlading og rask oppvarming – som så sprenger inneslutningen og antenner elektrolytten – vi har en litiumbatteri-brann. Som altså kommer av karbon-anoden …
Selv med de nye batteritypene vil nok ikke elbilplattformen bli særlig forandret. Her ser du Hyundais typiske opplegg med den ene batteripakken i midten. (Foto: Hyundai)
Eiker
Egenskapene til li-ion-batterier kan avbildes som eiker i hjul, lengden på hver eike angir et ledd i totalytelsen: kostnad, sikkerhet, levetid, spesifikk energilagring, og hastighet i opplading og utlading. Ingen revolusjonerende, godt dokumentert elektrodekjemi har dukket opp, så forskere sjekker flere kjemiveier, hver av disse er spesialisert for sitt eget bruksområde.
Tesla har fokusert på NCA (nikkel-kobolt-aluminiumoksid) med høy spesifikk energi. Men – sammen med VW, Rivian og Ford – har de nå gått over til LFP-katode (litiumjernfosfat) som lenge har vært brukt i elektroverktøy – og av den kinesiske batteri- og bilprodusent BYD.
LFP gir lavere spesifikk energi, men er mer termisk stabile. En annen strategi er hybridbatteriet, som skal kombinere avansert energikjemi med annen avansert kjemi, der sistnevnte lades opp av førstnevnte. Mest for å forvirre oss …
Anoder av LTO (litium titan oksid), med åpen spinell-kjemisk struktur, gir høy strøm og rask opplading med god sikkerhet og enestående sykluslevetid (mange tusen snarere enn noen hundre sykluser). Men spesifikk energilagringsevne er dårligere enn i batterier for kamera/bærbar PC/telefon eller EV-applikasjoner.
De spesielle egenskapene har likevel gjort at de nå driver bybusser på korte til/fra-ruter. Høy lade-/utladestrøm og svært lang levetid tillater en stunds opplading i hver ende av ruten for å få nok kraft og kjøretid. Men heller ikke denne teknikken er altså fullgod. Derfor sier SAE at virkelig gode batterier for kjøretøydrift nok ligger et stykke inn i fremtiden.
Niob
Men hva altså med niob? Toshiba har markedsført LTO-batteriet siden 2008, og forskning på åpen-struktur-anoder har fortsatt. Niob titan oksid (NTO) har teoretisk volumkapasitet (mAh/cm3) tre ganger større enn LTO, og dette er jo en god nyhet. Batteriet har 90 % kapasitet etter 5000 sykluser, og beholder LTOs evne til rask opplading ned mot -10 grader C. De nye anodematerialene er åpne, og gir rask opplading/utlading med lav motstand. De endrer ikke volum slik karbon gjør. At niob kan innta flere oksidtilstander er poenget. Her snakker vi avansert kjemi!
Toshiba-studien kan derfor gi kraftig forbedrede elektroder. Hurtiglading låter jo bra, men vi bør vel ta alt med en klype salt til vi hører mer om strømstyrken. Kan kommende ladestasjoner klare dette – selv med væskekjølte kabler? En ny anodelegering er bare starten. En hel rekke eksisterende og mulige teknikker må brukes for å optimalisere ytelsen. Dette krever enda dypere forståelse for krystaller og elektronisk struktur. Men at batterier med niob kommer, det kan du banne på!
En hovedleverandør av ferro-niob – korn-forbedrer i høyfast stål – og av niob-oksid – er Companhia Brasiliera Metalugia e Mineracao. Sent i 2021 inngikk de kontrakt med Toshiba om niob-anoder med høyere spesifikk energi, for batterier med like god evne til rask opplading, og med like lang levetid som litium-titanoksid-forgjengeren.
Så nå vet vi det: Toshiba vil etter hvert kunne levere de nye niob-anode-batteriene som gir deg raskere og sikrere opplading, sterkere kjørestrøm og økt levetid.
