I takt med att efterfrågan på mobila datorer och helt eldrivna bilar ökar utgör den nuvarande batteriteknikens begränsningar ett hinder. Det elektriska batteriet, som uppfanns på 1790-talet av den italienske fysikern Alessandro Volta, har varit arbetshäst i många prylar, apparater och maskiner.
I takt med att konsumentapparaterna har blivit mindre och att det har blivit viktigare att de kan användas oavbrutet innan de behöver laddas upp, har det också blivit allt viktigare att batterierna blir både miniatyriserade och mer energieffektiva. Detta har dock visat sig vara ett tekniskt hinder som, om det övervinns, kommer att vara en viktig och lönsam utveckling för morgondagens högteknologiska ekonomi.
Batteriteknik
Alla elektriska batterier bygger på den grundläggande kemiska reaktionen reduktion och oxidation (redox) som kan ske mellan två olika material. Dessa reaktioner är inrymda i en sluten och förseglad behållare. Katoden, eller den positiva terminalen, reduceras av anoden, eller den negativa terminalen, där oxidation sker. Katoden och anoden är fysiskt åtskilda av en elektrolyt som gör att elektroner lätt kan flöda från den ena terminalen till den andra. Detta flöde av elektroner orsakar en elektrisk potential, vilket möjliggör en elektrisk ström när en krets slutas.
Konsumtionsbatterier för engångsbruk (s.k. primärbatterier), t.ex. celler i AA- och AAA-storlek som tillverkas av företag som Energizer (ENR), bygger på en teknik som inte lämpar sig för moderna tillämpningar. För det första är de inte uppladdningsbara. Dessa så kallade alkaliska batterier har en katod av mangandioxid och en anod av zink, åtskilda av en utspädd kaliumdioxidelektrolyt. Elektrolyten oxiderar zinken i anoden medan mangandioxiden i katoden reagerar med de oxiderade zinkjonerna för att skapa elektricitet. Gradvis byggs reaktionens biprodukter upp i elektrolyten och mängden zink som återstår att oxidera minskar. Så småningom dör batteriet. Dessa batterier ger vanligtvis 1,5 volt elektricitet och kan arrangeras i serie för att öka denna mängd. Till exempel ger två AA-batterier i serie tre volt elektricitet.
Uppladdningsbara batterier (s.k. sekundära batterier) fungerar på ungefär samma sätt och utnyttjar en reduktionsoxidationsreaktion mellan två material, men de tillåter också att reaktionen går i motsatt riktning. De vanligaste uppladdningsbara batterierna på marknaden idag är litiumjonbatterier (LiOn), även om olika andra tekniker också prövades i sökandet efter ett fungerande uppladdningsbart batteri, bland annat nickelmetallhydrid (NiMH) och nickelkadmium (NiCd).
NiCd var de första kommersiellt tillgängliga uppladdningsbara batterierna för massmarknadsanvändning, men de led av att de bara klarade av ett begränsat antal uppladdningar. NiMH ersatte NiCd-batterier och kunde laddas oftare. Tyvärr hade de en mycket kort hållbarhet, så om de inte användes snart efter tillverkningen kunde de bli ineffektiva. LiOn-batterier löste dessa problem genom att komma i en liten behållare, ha lång hållbarhet och möjliggöra många laddningar. LiOn-batterier är dock inte de mest använda i konsumentelektronik som mobila enheter och bärbara datorer. Dessa batterier är mycket dyrare än alkaliska engångsbatterier och finns vanligtvis inte i de traditionella storlekarna AA, AAA, C, D etc.
Den sista typen av uppladdningsbara batterier som de flesta känner till är flytande blybatterier, som oftast används som bilbatterier. Dessa batterier kan ge mycket ström (t.ex. vid kallstart av en bil), men innehåller farliga material, bl.a. bly och svavelsyra, som används som elektrolyt. Dessa typer av batterier måste kasseras med försiktighet så att de inte förorenar miljön eller orsakar fysiska skador på dem som hanterar dem.
Målet med den nuvarande batteritekniken är att skapa ett batteri som kan matcha eller förbättra prestandan hos LiOn-batterier, men utan de höga kostnader som är förknippade med tillverkningen av dem. Inom litiumjonfamiljen har ansträngningarna inriktats på att lägga till ytterligare ingredienser för att öka batteriets effektivitet och samtidigt sänka prislappen. Till exempel finns litium-koboltarrangemang (LiCoO2) nu i många mobiltelefoner, bärbara datorer, digitalkameror och bärbara produkter. Litium-mangan-celler (LiMn2O4) används oftast i elverktyg, medicinska instrument och elektriska drivlinor, t.ex. i elbilar.
För närvarande finns det grupper som bedriver forskning och utveckling för att öka prestandan hos litiumbaserade batterier. Litium-luft-batterier (Li-Air) är en spännande ny utveckling som skulle kunna ge mycket större energilagringskapacitet – upp till 10 gånger större kapacitet än ett typiskt LiOn-batteri. Dessa batterier skulle bokstavligen ”andas” luft genom att använda fritt syre för att oxidera anoden. Även om denna teknik verkar lovande finns det ett antal tekniska problem, bland annat en snabb uppbyggnad av biprodukter som försämrar prestandan och problemet med ”plötslig död” där batteriet slutar fungera utan förvarning.
Lithiummetallbatterier är också en imponerande utveckling som lovar nästan fyra gånger högre energieffektivitet än den nuvarande batteritekniken för elbilar. Denna typ av batterier är också mycket billigare att tillverka, vilket kommer att sänka kostnaden för produkter som använder dem. Säkerhetsfrågorna är dock ett stort bekymmer eftersom dessa batterier kan överhettas, brinna eller explodera om de skadas. Andra nya tekniker som man arbetar med är litium-svavel och kisel-kol, men dessa celler befinner sig fortfarande i ett tidigt skede av forskningen och är ännu inte kommersiellt gångbara. Det pågår också flera utvecklingar kring solcellsdrivna batterier.
Investera i batteriteknik
Om och när batteritekniken tar fart i dessa spännande nya riktningar kommer det att sänka produktionskostnaden för konsumentelektronik och för elbilar som de som tillverkas av Tesla Motors (TSLA). Tesla meddelade nyligen att man bygger en ”gigafabrik” för att inte bara producera fler fordon utan också producera sina egna LiOn-batterier i egen regi, i samarbete med den japanska elektronikjätten Panasonic (ADR:PCRFY). Genom att ta problemet med batteriproduktion i egna händer kan Tesla ha hittat ett utmärkt sätt att få investeringsexponering mot både elbilar och batteriteknik.
Marknaden för batteriteknik är något myopisk med ny teknik, utveckling och partnerskap som katapulterar branschen framåt. Visiongain’s ”Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018” ger en stor inblick i batteriteknikmarknaden och dess främsta tillverkare. Företagen i rapporten är bland annat följande:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co, Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co, Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Andra anmärkningsvärda namn inom batteribranschen är bland annat följande:
- Arotech Corp (ARTX) utvecklar och distribuerar litium- och zink-luft-batterier och har bland annat den amerikanska militären som kund.
- PolyPore Inc. (PPO) tillverkar högspecialiserade litiumpolymerbatterier främst för industriell och medicinsk användning.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) är ett alternativt energibolag som har ett majoritetsägt samriskföretag med Delphi Automotive (DLPH) för att skapa batterilösningar för elfordon.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) är ett brittiskt företag som utnyttjar nanoteknik och materialet grafen för att bland annat producera grafenbaserade batterier.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) bedriver också forskning för grafenbaserade tillämpningar.
- EnerSys är en renodlad satsning på batterier. Det är för närvarande den största tillverkaren av industriella batterier i världen.
Det finns också Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). denna ETF strävar efter att följa Solactive Global Lithium Index och ger exponering mot en diversifierad portfölj av börsnoterade företag som främst är inriktade på litium, inklusive brytning av litium, förädling av litium och användning av litium i batteriproduktion. De främsta innehaven i LIT ETF:n i oktober 2018 var följande:
- FMC CORP 18.06%
- ALBEMARLE CORP 17.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7.40%
- ENERSYS 6.91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6.62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4.95%
- PANASONIC CORP 4.60%
- TESLA INC 4.37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4.24%
The Bottom Line
Batterier för strömförsörjning har alltid varit viktiga i modern tid. I och med tillkomsten av mobila datorer och elbilar kommer deras betydelse dock bara att fortsätta att öka. Just nu står till exempel batterikraftpaket för mer än hälften av kostnaden för en Tesla-bil.
På grund av deras växande betydelse tar forskningen om nyare och bättre uppladdningsbara batterier fart. Litium-luft- och litiummetallbatterier kan visa sig vara den utveckling som är viktigast. Om dessa tekniker slutar med att ge resultat kan investeringar i stora företag som är involverade i batteriproduktion, i renodlade litiumjontillverkare eller indirekt exponering via litiummetallproducenter bidra till att stärka en portföljs framtida resultat.