Den främsta anledningen till att elfordon inte helt har tagit över transportbelastningen är tekniknivån på deras högspänningsbatterier. Även om stora framsteg på området har gjorts under det senaste decenniet, är batteriernas energiinnehåll inte i närheten av energiinnehållet i de flytande bränslena. Fordonsforskningens heliga graal är ett batteri med betydligt högre energitäthet än vad som finns tillgängligt för närvarande. Så vi bestämde oss för att göra en översyn av den nuvarande och de lovande kommande batteriteknologierna och få dig att uppdatera.
Teknik som används för närvarande
Litiumjon - NCM- och NCA-katod
Litiumjonbatterier går ungefär 30 år tillbaka, när Sony introducerade det i en kommersiell enhet - Sony CCD-TR1-videokameran. Hur fungerar ett litiumjonbatteri? I ett nötskal, litiumjoner färdas från anod till katod fram och tillbaka. Under urladdning skickar anoden litiumjoner till katoden. Litiumjonerna färdas genom flytande elektrolyter medan elektroner färdas genom den externa kretsen och rekombinerar i cellens katod. Under laddning händer det motsatta.
| Batterityp Li-ion NCX | Li-ion NCX |
|---|---|
| Specifik energi (Wh/kg batteri) | 150-325 (hög nickel katod, cell att packa, silikon anod) |
| Batterihållbarhet (cykler) | 500-1500 |
| Total batteripaketkostnad (€/kWh) | 250-280 |
| Erforderlig batterivikt för 500 km resa med 130 km/h hastighet och medelförbrukning 25 kWh/100 km (kg) | 385-830 |
Nuförtiden används högspänningsbatterityperna litiumjon NCM och NCA nästan uteslutande i elfordon. N står för nickel, C för kobolt, M för mangan och A för aluminium. Beroende på andelen av dessa material i batteriets katod uppnås olika egenskaper. Till exempel innebär ett NCM 712-batteri att det består av 70 % nickel, 10 % kobolt och 20 % mangan. Generellt sett gäller att ju högre nickelprocent i batteriet är, desto högre energitäthet kan batteriet ge med en djupgående positiv effekt på batteripaketets vikt och dimensioner.
På grund av bristen på kobolt i jordskorpan och dess tvivelaktiga gruvetik (barnarbete), försöker batteritillverkare använda kemi med lägre andel av materialet eller total uteslutning av det. Kombinationen av hög-nickel-katod, cell-to-pack-arrangemang och kisel i anoden kan höja dess energitäthet till 325 Wh/kg. Vi kan säga att denna typ av batteri är nära sina tekniska gränser.
Litiumjon - LFP-katod
Ett annat alternativ för katoden för Li-ion-batterier är användningen av litiumjärnfosfat. Även om prestandan för denna typ av batteri i allmänhet är lägre än NMC-typen är den att föredra av vissa tillverkare på grund av dess längre livslängd och de billigare och vanligare materialen som används. Den specifika energitätheten är lägre här på grund av två huvudfaktorer.
För det första, eftersom maxspänningen är lägre, betyder det att vi för samma kapacitans får mindre kWh och för det andra, eftersom litiumjonerna rör sig i en rumslig dimension (istället för två i NMC-batterier). Det faktum att litiumjoner rör sig i endast en rumslig dimension innebär att den maximala urladdningseffekten för batteriet också är lägre, det är därför denna typ av batteri inte anses lämplig för högpresterande applikationer.
| Batterityp LFP | LFP |
|---|---|
| Specifik energi (Wh/kg batteri) | 120 |
| Batterihållbarhet (cykler) | >2000 |
| Total batteripaketkostnad (€/kWh) | 200 |
| Erforderlig batterivikt för 500 km resa med 130 km/h hastighet och medelförbrukning 25 kWh/100 km (kg) | 1040 |
Detta är anledningen till att Tesla använder denna typ av batterikemi endast för basversionen av modell 3. Denna typ av batteri har dock två stora fördelar. Dess livslängd anses vara högre än andra Li-ion-typer och inte bara har den inga problem när den laddas till 100 %, det är faktiskt en stark rekommendation för dessa batterier.
Möjliga framtida teknologier
Litium - Luft
Lithium-Air-batterier är mestadels ett tekniskt projekt för tillfället och under forskning, men denna typ av batteri verkar vara den mest lovande av alla och presenterar specifik energikapacitet som liknar de flytande bränslena med 11,4 kWh/kg. Litiumet finns i anoden medan luft finns i katoden och dessa två separeras av elektrolyt. Under urladdning reser litiumjoner från anoden till katoden där luft finns och reagerar med syret.
| Batterityp Litium - Luft | Litium - Luft |
|---|---|
| Specifik energi (Wh/kg batteri) | 11400 |
| Batterihållbarhet (cykler) | Mycket låg |
| Total batteripaketkostnad (€/kWh) | Unknown |
| Erforderlig batterivikt för 500 km resa med 130 km/h hastighet och medelförbrukning 25 kWh/100 km (kg) | 11 |
Tyvärr förhindrar höga temperaturer under laddning snabb omladdning av batteriet medan bildningen av dendriter under processen avsevärt minskar batteriets livslängd, vilket begränsar dess användning för närvarande till labbmiljön. Om dess tekniska utmaningar övervinns och dess kostnad är rimlig, kommer ICE-fordonen att bli föråldrade över en natt.
Solid State
Det anses vara bilbatteriernas heliga gral och omfattande forskning bedrivs för närvarande av alla jättar inom bilindustrin. Dagens konventionella litiumjonbatterier använder flytande elektrolyter och en separator för att dela anod från katod. I solid state-batteriet ersätts den flytande elektrolyten och separatorn med en fast elektrolyt.
| Batterityp Solid State | Solid State |
|---|---|
| Specifik energi (Wh/kg batteri) | 500-600* |
| Batterihållbarhet (cykler) | 1000* |
| Total batteripaketkostnad (€/kWh) | Unknown |
| Erforderlig batterivikt för 500 km resa med 130 km/h hastighet och medelförbrukning 25 kWh/100 km (kg) | 200-250 |
Forskare utvärderar för närvarande en rad alternativ för den fasta elektrolyten, inklusive både metalliska och keramiska ämnen. Även om inga elfordon för närvarande använder denna batteriteknik, förväntas de första produktionsmodellerna komma ut på marknaden inom de kommande två till tre åren. Detta batteri förutspås erbjuda en specifik energitäthet dubbelt så stor som traditionella Li-ion-batterier med flytande elektrolyter, samtidigt som de bibehåller en livslängd på 1 000 cykler, även om dessa uppskattningar potentiellt kan förbättras allt eftersom utvecklingen fortskrider.
