Hur batterier i elbilar och energilager kommer att se ut de närmaste tio åren, är utstakat med ganska hög precision. Det plöjs just nu ner gigantiska belopp i fabriker som ska tillverka litiumjonbatterier, var och en med årskapaciteter på batteripack för hundratusentals elbilar.

Därefter börjar framtiden bli mer öppen. Ett EU-program passande döpt till ”Battery 2030+” hoppas kunna ge ett stort bidrag till den framtiden.

TRE VÄGAR TILL EU:s SUPERBATTERI 1. SJÄLVLÄKNING  Batterier tappar i prestanda bland annat för att deras komponenter spricker upp, korroderar, löses upp, bildar dendriter, med mera. Mycket forskning om att förbättra batteriers livslängd och effekttålighet handlar om att förhindra detta genom att mixtra med elektrodernas struktur.  2030-plus-projektets radikalare idé är att – laga dem. Det kallas självläkande batterier. Inspirationen kommer från medicinens värld med distribution av till exempel läkemedel eller nanomaterial i kroppen. 2030-plus tycker sig se att batterier borde kunna använda liknande mekanismer och vill gärna involvera såväl bio-medicinare som biologer i ett projekt, vid sidan av elektrokemister.  Forskarna ska försöka få batteriet att bilda polymera skikt som lägger sig över sprickor i elektrodmaterialet. Byggmolekylerna kan få simma i elektrolyten och fylla ut sprickorna i elektroderna. Klistret är vätebindningar eller ännu mer avancerade kemiska processer som upptäckts de senaste åren inom ett område kallat självläkande material. Det är ett område med några år på nacken, men fortfarande nästan outforskat inom batteriområdet.  En utmaning är att hitta molekyler – så kallade supramolekyler med flera komponenter som fyller olika funktioner – som är tillräckligt stabila i den krävande miljö som finns inuti en battericell. 2. INBYGGDA SENSORER Ett av uppslagen till hur batteri-tekniken ska kunna ta sig vidare efter 2030 är att göra batteri-cellerna smarta med hjälp av sensorer. De ska i realtid kunna övervaka de kemiska processerna i cellen och mäta dynamiska egenskaper som laddning, energi och effekt. Det kan till exempel ge noggrann information om cellens degradering. En -uppenbar tillämpning är säkerhet – vid en oväntad sensorrapport kan cellen snabbt kopplas bort.  En annan tänkbar användning är inom den självläkning som nämns ovan – sensorer kan reglera när självläkningsmekanismer behöver aktiveras.  Dagens batterier har en plus- och minuspol. EU:s superbatteri med inbyggda sensorer har ytterligare ett par anslutningar för sensorkommunikation. En första tröskel för projektet att sig över är att det helt enkelt inte finns sofistikerade sensorer av detta slag idag. 3. AUTOMATISK OPTIMERING Ett 2030-plus-mål är att kunna hitta och optimera material och strukturer i ett fem till tio gånger högre tempo än vad som sker idag. Här är en av batteriforskarnas idéer att delvis ersätta sig själva med artificiell intelligens och automation. Battericeller med nya materialkombinationer testas genom att laddas upp och ur. Då genereras massor av mätdata. Kanske kan AI användas för att tolka dessa snabbare? Eller upptäcka nya användbara samband i dem och föreslå nya material? Den mest radikala idén är att bygga en automatisk forskare kallad Big-Map (Battery Interface Genome Material Acceleration Platform) – en autonom process som på egen hand letar efter nya material och strukturer. Big-Map ska främst labba med gräns-ytor (interface) mellan elektrod och elektrolyt. Den använder bland annat simuleringar och maskinlärning och en industri-robot är inkopplad i loopen för att syntetisera material. Kanske blir det en Big-Map som hittar den saknade nyckeln till att bygga batterier med fast elektrolyt istället för flytande? 2030-plus hoppas att ett autonomt intelligent robotiserat labb ska kunna hitta effektiva material betydligt snabbare. (BILD Münsters universitet)

Den pågående elektrifieringen med det stora intresset för batterier för bland annat transport och energilager, har förstås gynnat batteriforskningen. Att Northvolt lyckades finansiera en batterifabrik i Skellefteå var en extra kick för Sverige. 

Också i forskningsvärlden har Sverige blivit huvudpersonen i ett ”miljardprojekt”. 2030-plus leds av Kristina Edström, en batteriprofessor i Uppsala med Nordens största batteriforskningsgrupp, Ångström Advanced Battery Centre på Ångströmlaboratoriet.

2030-plus kommer att pågå i tio år – fram till 2030. En miljard euro investeras, och Kristina Edström kommer att samordna forskning från 90 partners.

2030-plus existerar eftersom dess ansökan vann en skönhetstävling inom EU:s forskningsprogram Horizon 2020 om att få bli ett så kallat ”flaggskepp” – ett visionärt, långsiktigt forskningsprojekt med en bra plan för hur en specifik storskalig utmaning i teknikens framkant ska adresseras. 

Andra vinnande ansökningar har gått till projekt om grafen, människohjärnan och kvantteknik. Ytterligare två projekt kan komma att bli flaggskepp och erhålla en miljard euro på tio år.

Litiumjonbatterier har sjunkit i pris med 80–90 procent under det senaste decenniet, och ökat i effektivitet. De kommer att fortsätta utvecklas i flera år till – kanske dramatiskt – på grund av effektiviserad produktion och optimerade material. 

Den utvecklingen är dock inte vad som ligger i fokus för 2030-plus-projektet. För 2020-talets gigafabriker finns snarare ett annat mer jordnära, företagsinriktat EU-program kallat European Battery Alliance.

2030-plus-programmet tar ut svängarna mycket mer och växlar upp ambitionerna till en helt annan nivå.

Kristina Edström

– Vi ska vara den sida som står för det långsiktiga. Vi ska kunna föda in nya galna idéer och innovationer som ska kunna bli verklighet, säger Kristina Edström i en intervju.

Lagringskapacitet, effekttålighet och så vidare, ska inte bara bli bättre utan närma sig sina teoretiska gränser.

Det mest disruptiva i programmet ligger kanske i hur utvecklingen ska ta sig dit. Batterier ska kunna övervaka sig själva med inbyggda sensorer, själva reparera sin degradering och till och med vara automatiskt konstruerade av en självgående intelligent maskin.

Metoderna ska kunna ge förbättringar i batteriteknik som i bästa fall rentav ritar om kartan för elektrifieringens möjligheter och öppnar för helt nya tillämpningar inom till exempel robotik, flygfart, medicinska instrument eller IoT.

Några stränga bivillkor finns allestädes närvarande: alla steg i livscykeln ska vara optimerade för volymtillverkning, återvinning och minimala fotavtryck. 

När ambitionerna för 2030-plus beskrivs, fungerar Asien som ett benchmark för vad EU:s forskning vill komma ikapp – och gärna förbi på några områden. 

De stora batteritillverkarna finns idag i Asien – i Japan, Sydkorea, Kina och Taiwan. Där finns de breda erfarenheterna av dagens batteriteknik.

Det kommer att finnas en global batterimarknad år 2025 på upp till 250 miljarder euro och miljontals jobb, som EU vill ha en del av. Idag tar Asien 90 procent av batterimarknaden från tillverkning till återvinning. 

Ytterligare en förklaring till EU:s intresse är den starka kopplingen mellan batterier och fordonsindustri. De europeiska biltillverkarna kommer att behöva batterikompetens för att kunna fortsätta hävda sig.

Fokus för projektet 2030-plus är dock inte att självt gå så långt som till produktion, utan det handlar om grundforskning.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Vad gäller tillämpningar sneglar 2030-plus mycket på transport och energilager – samma områden som ligger högt på agendan även idag. Efter 2030 kan de fortfarande vara centrala i energiomställningen och elektrifieringen. 

Men mycket annat kan adresseras, som implantat, artificiella muskler, robotar, drönare och flygplan. 

Kemiskt lämnar 2030-plus alla dörrar öppna. Metoderna som utforskas ska i princip vara tillämpliga på alla material. Litiumjonbatterier är till exempel inte bortsorterade. 

Stackars battericell! Det finns tusen mekanismer som sänker kapaciteten hos ett batteri och förkortar dess livslängd. Forskningsprogrammet 2030-plus lägger en miljard euro på att hitta motmedel (BILD EPG Oxford)

– Vi vill gärna titta på dem, för att vi kan mycket om dem. Vi har bra baslinjer där att använda som modell. Sedan kan vi gå vidare till tuffare kemier, till exempel litiumsvavelbatterier i ett nästa steg, säger Kristina Edström.

– Någon kan protestera och säga att litiumjon inte är tillräckligt disruptivt, men det menar vi att det visst kan vara.

Om tio år hoppas Kristina Edström ha fått vara med och utveckla ny batteriteknik och, lite skämtsamt, ”det europeiska superbatteriet”.

– Det är vad jag måste tro på, att vi har kompetens för det. Om det sedan blir litiumjon eller metalluft – det vågar jag inte svara på.

FOTO av Kristina Edström: Mikael Wallerstedt