The Inside Story of EV Batteries: Demystifying NCM, NCA, LFP og Solid-State Chemistries

Hovedårsaken til at elektriske kjøretøyer ikke helt har tatt over transportbelastningen er teknologinivået til høyspentbatteriene deres. Selv om det i løpet av det siste tiåret har blitt gjort store fremskritt på feltet, er batterienes energiinnhold ikke i nærheten av energiinnholdet i flytende brensler. Bilforskningens hellige gral er et batteri med betydelig høyere energitetthet enn det som er tilgjengelig i dag. Så vi bestemte oss for å gjøre en gjennomgang av den nåværende og de lovende kommende batteriteknologiene og få deg oppdatert.

Teknologier som er i bruk

Litiumion - NCM og NCA katode

Lithium-ion-batterier går omtrent 30 år tilbake, da Sony introduserte det i en kommersiell enhet - Sony CCD-TR1-videokameraet. Hvordan fungerer et litiumionbatteri? I et nøtteskall reiser litiumioner fra anode til katode frem og tilbake. Under utladning sender anoden litiumioner til katoden. Litiumionene reiser gjennom flytende elektrolytter mens elektroner reiser gjennom den eksterne kretsen og rekombinerer i katoden til cellen. Under lading skjer det motsatte.

I dag brukes litiumion-NCM- og NCA-høyspentbatteritypene nesten utelukkende i elektriske kjøretøy. N står for nikkel, C for kobolt, M for mangan og A for aluminium. Avhengig av prosentandelen av disse materialene i batteriets katode, oppnås forskjellige egenskaper. For eksempel betyr et NCM 712-batteri at det består av 70 % nikkel, 10 % kobolt og 20 % mangan. Generelt, jo høyere nikkelprosent i batteriet, desto høyere energitetthet kan batteriet gi med en dyp positiv effekt på batteripakkens vekt og dimensjoner.

På grunn av mangelen på kobolt i jordskorpen og dens tvilsomme gruveetikk (barnearbeid), prøver batteriprodusenter å bruke kjemi med lavere prosentandel av materialet eller total utelukkelse av det. Kombinasjonen av høy nikkel-katode, celle-til-pakke-arrangement og silisium i anoden kan bringe energitettheten opp til 325 Wh/kg. Vi kan si at denne typen batteri er nær sine teknologiske grenser.

Litiumion - LFP katode

Et annet alternativ for katoden til Li-ion-batteriene er bruken av litiumjernfosfat. Selv om ytelsen til denne typen batteri generelt er lavere enn NMC-typen, foretrekkes den av noen produsenter på grunn av dens lengre levetid og de billigere og mer vanlige materialene som brukes. Den spesifikke energitettheten er lavere her på grunn av to hovedfaktorer.

For det første, fordi den maksimale spenningen er lavere, betyr det at for samme kapasitans får vi mindre kWh og for det andre fordi litiumionene beveger seg i én romlig dimensjon (i stedet for to i NMC-batterier). Det faktum at litiumioner beveger seg i bare én romlig dimensjon betyr at den maksimale utladningseffekten til batteriet også er lavere, det er derfor denne typen batterier ikke anses som egnet for høyytelsesapplikasjoner.

Dette er grunnen til at Tesla bruker denne typen batterikjemi kun for basisversjonen av modell 3. Denne typen batteri har imidlertid to store fordeler. Dens levetid anses som høyere enn andre Li-ion-typer, og ikke bare har den ingen problemer når den lader den til 100 %, det er faktisk en sterk anbefaling for disse batteriene.

Mulige fremtidige teknologier

Litium - Luft

Lithium-Air-batterier er for det meste et teknologisk prosjekt for øyeblikket og under forskning, men denne typen batterier ser ut til å være den mest lovende av alle og har spesifikk energikapasitet som ligner på flytende drivstoff med 11,4 kWh/kg. Litiumet finnes i anoden mens luft er i katoden og disse to er atskilt med elektrolytt. Under utlading beveger litiumioner fra anoden seg til katoden der luft er tilstede og reagerer med oksygenet.

Dessverre forhindrer høye temperaturer under lading rask opplading av batteriet, mens dannelsen av dendritter under prosessen reduserer batteriets levetid i stor grad, og begrenser bruken for øyeblikket til laboratoriemiljøet. Hvis teknologiutfordringene overvinnes og kostnadene er rimelige, vil ICE-kjøretøyene bli foreldet over natten.

Solid State

Det regnes som bilbatterienes hellige gral, og det foretas for tiden omfattende forskning av alle gigantene i bilindustrien. Dagens konvensjonelle litiumionbatterier bruker flytende elektrolytter og en separator for å dele anode fra katode. I faststoffbatteriet er den flytende elektrolytten og separatoren erstattet med en fast elektrolytt.

Forskere vurderer for tiden en rekke alternativer for den faste elektrolytten, inkludert både metalliske og keramiske stoffer. Selv om ingen elektriske kjøretøy for tiden bruker denne batteriteknologien, forventes de første produksjonsmodellene å komme på markedet i løpet av de neste to til tre årene. Dette batteriet er spådd å tilby en spesifikk energitetthet som er dobbelt så stor som tradisjonelle Li-ion-batterier med flytende elektrolytter, samtidig som den opprettholder en levetid på 1000 sykluser, selv om disse estimatene potensielt kan forbedres etter hvert som utviklingen skrider frem.