Batteriforskarnas upptäckt kan öka elbilarnas räckvidd

2017-12-14 07:02  
En elbil från Tesla. Foto: Tesla

Vid sin fulla potential skulle ett litiumjonbatteri kunna öka räckvidden hos dagens elbilar med 30-50 procent. Tidigare försök att nå den teoretiska kapaciteten har misslyckats – men nu har amerikanska forskare gjort ett genombrott.

Allt effektivare batterier med en lägre tillverkningskostnad per kWh innebär att dagens dyra elbilar i rask takt rör sig mot en prisnivå som kan matcha diesel- och bensinfordon. Man anser att brytpunkten ligger vid 100 dollar per kWh. I början av året meddelande Tesla-grundaren Elon Musk att företagets nya batterifabrik Gigafactory i Nevada kommer kapa kostnaden med 35 procent. Det skulle innebära ett prisförhållande på 124 dollar per kWh.

I dag kan konventionella litiumjonbatterier lagra omkring 50 procent av sin teoretiska kapacitet. Forskare har försökt närma sig den fulla potentialen genom att packa in mer litium i elektroderna, men försöken har misslyckats. Elektroderna har börjat degenerera redan efter den första laddcykeln. Hittills har ingen lyckats räkna ut hur man kan motverka detta, men nu har man kommit ett steg närmare lösningen.

Vid sin fulla potential skulle ett litiumrikt batteri öka räckvidden hos dagens elbilar med en tredjedel – eller ännu mer. Det innebär exempelvis att en Tesla Model S med batteripacket P100D skulle gå från drygt 500 km till omkring 760 km. Alternativt kan man istället behålla originalräckvidden med ett mindre batteri och därmed sänka bilens prislapp.

– Drömmen är att skapa en överkomlig elbil för massmarknaden som prismässigt ligger i nivå med motsvarande bensinbil. Då kan konsumenten börja spara in bränslepengar från dag ett, och alla skulle byta till eldrift, säger William Gent, kemidoktorand vid Stanford University, till IEEE Spectrum.

Läs mer:

Läs mer: Ford sågar elbilar – klarar inte kraven

Han är huvudförfattare bakom studien som publicerades i Nature Communications. Gent har även samarbetat med forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory.

Katoderna består vanligtvis av lager av litium samt övergångsmetaller som nickel, mangan eller kobolt. I litiumrika batterier ersätts en del av övergångsmetallerna med litium. Trots att extramaterialet har potential för att öka katodens kapacitet med 30-50 procent så uppstår istället en del märkliga fenomen. Exempelvis blir volttalet högre vid laddning än vid urladdning, detta även vid låg spänning. I ett perfekt batteri skulle spänningen vara identisk. Dessutom faller volttalen efter ett antal cykler.

Nu har William Gents team lyckats förstå orsakerna. Forskarna använde röntgendiffraktion för att undersöka förändringar av katodens atomstruktur samt kemiska struktur under laddning/urladdning. Man har även mätt de magnetiska och elektroniska egenskaperna i litiumrikt material.

Läs mer:

Läs mer: Experter om kritiken mot Tesla-laddaren: Ni har fel

Nästa steg var att testa hypotesen – och teamets avancerade datamodeller visade att övergångsmetallernas joner, som normalt stannar på plats, flyttades runt när den litiumrika katoden laddades. Det är det här fenomenet som drastiskt påverkar den spänning där elektronerna lagras i katoden. Detta skulle inte vara ett stort problem om jonerna återvände till sin ursprungliga plats under urladdning – men för varje cykel flyttade de sig lite längre bort, vilket skapade oordning i atomstrukturen och de skumma volttalen.

För första gången har man har lyckats kartlägga förhållandet mellan det sätt som atomer positionerar sig i elektroden under laddning – och hur elektroner lagras i batteriets atomstruktur samt kemiska struktur. Insikten har gett en fingervisning om hur man kan bygga litiumrika elektroder som skulle kunna öka batteriernas kapacitet radikalt.

– Vi hoppas att man ska kunna använda kunskapen för att bättre kontrollera de här materialen och göra dem mer praktiska, säger William Gent.

John Edgren

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt