Varmare batteri kan möjliggöra extrem snabbladdning

2019-11-01 10:00  
Extrem snabbladdning kan bli möjlig tack vare förhöjd temperatur under laddning, enligt en ny rapport. Foto: Chao-Yang Wang Group, Penn State Uni.

Värm upp elbilens batteri – och korta tiden för laddning till tio minuter. Forskare vid Penn State University presenterar nu en metod för extrem snabbladdning – utan att batteriet tar skada.

Snabbladdning har blivit en viktig faktor för att möjliggöra elbilens genombrott. Reslängder som överstiger bilens räckvidd kan genomföras med ett laddstopp på typiskt kring en halvtimme. De flesta snabbladdare lämnar i dag en effekt på runt 150 kilowatt.

Tiden är fortfarande avsevärt längre än de fem minuter det tar att tanka en bensin- eller dieseldriven bil. USA:s energimyndighet har därför satt upp ett mål om att utveckla snabbladdning som möjliggör uppladdning motsvarande cirka 320 kilometer körsträcka på 10 minuter. Det kan kräva effekter på uppemot 400 kilowatt vilket skulle slita väldigt mycket på batteriet.

Men utmaningen kan lösas genom att batteriet värms upp till 60 grader under laddning, menar nu forskare vid amerikanska Pennsylvania State University i en rapport publicerad i den vetenskapliga tidskriften Joule.

Litiumplätering orsak till åldrande

Det går emot den gängse uppfattningen att litiumjonbatterier generellt sett bör hållas vid, eller strax över, rumstemperatur – både vid laddning och vid användning. Förhöjd temperatur leder till att batteriet åldras snabbare. Åldrandet har flera orsaker, där den ena av dem är litiumplätering och den andra så kallad SEI-tillväxt (solid electrolyte interphase, se faktaruta).

Fördelen med att genomföra laddningen vid en högre temperatur är att en rad egenskaper hos batteriet, till exempel elektrolytens ledningsförmåga, förbättras rejält. Detta minskar risken för litiumplätering. Nackdelen är att den höga temperaturen i stället främjar alltför kraftig SEI-tillväxt.

Men eftersom den extrema snabbladdningen görs under så kort tid, bara omkring 0,1 procent av batteriets livslängd, blir effekterna av den förhöjda värmen inget större problem, menar forskarna efter att ha genomfört tester på battericeller av påstyp avsedda för hybridfordon.

Klarade av 1 700 laddcykler vid 6 C

Cellen som förvärmdes till 60 grader Celsius klarade av 1 700 laddcykler innan kapaciteten sjunkit till 80 procent. Kontrollcellen som hölls vid 20 grader klarade bara av 60 cykler. Laddhastigheten som användes var 6 C, vilket alltså per definition innebär att det tar 10 minuter att gå från 0 till 100 procent. Cellerna laddades till 80 procent av kapaciteten vilket är det typiska värdet vid snabbladdning. De sista 20 procenten av batteriet tar relativt lång tid ladda eftersom batteriets inre motstånd ökar.

Det är viktigt att battericellen inte hålls varm längre än absolut nödvändigt. Därför integrerade forskarna en nickelfolie i batteriet som på endast 30 sekunder förvärmer det till 60 grader.

Intressant nog minskade behovet av kylning för cellen som värmts upp till 60 grader. Efter laddning genererade den endast 1,7 wattimmar jämfört med 3,05 för kontrollcellen.

Behovet av kylning minskade också

– Nyckeln är att genomföra snabb uppvärmning, annars kommer batteriet att ligga kvar vid förhöjda temperaturer för länge, vilket orsakar allvarlig degradering, säger huvudförfattaren Chao-Yang Wang i ett uttalande.

Testerna har endast genomförts på enskilda celler men forskarna menar att tekniken är enkel att skala upp. Nickelfolien ökar visserligen kostnaden per cell med 0,47 procent. Å andra sidan blir totalkostnaden för ett batteripack lägre eftersom behovet av värmeslingor försvinner, menar de.

Batterprofessor har flera invändingar

Daniel Brandell, professor i materialkemi och forskare vid Ångström Advanced Battery Centre vid Uppsala universitet, har tagit del av rapporten. Han menar att det är utmärkt med försök att skräddarsy olika operativa temperaturintervall för olika användarfaster i batteriet.

Men han har även flera invändningar:

”Jag är skeptisk till att åldringseffekterna verkligen är försumbara med tanke på att stora strömmar går igenom cellen vid snabbladdning, och det är då som mycket av sidoreaktionerna sker”, skriver han i ett mejl till Ny Teknik.

Han påpekar också att metoden lär påverka energieffektiviteten och att testerna endast verkar vara gjorda i liten skala: ”Det är svårt att säga om detta kommer att fungera för stora batteripack”.

Borde inte det här ha testats av forskare redan tidigare?

”Detta har diskuterats i diverse sammanhang jag varit med i, men jag vet faktiskt inte om någon publicerat något. Tanken är i alla fall inte helt ny”, skriver han.

Fakta: Litiumplätering och SEI-tillväxt

Litiumplätering: Finns en defekt i batteriet kan litiumjonerna ansamlas som metall på grafitanoden vilket i sin tur kan leda till kortslutning och brand. Plätering kan också inträffa vid höga laddströmmar eller låga temperaturer.

SEI-tillväxt: Innebär att diverse fasta kemiska sammansättningar bestående av bland annat litiumföreningar bildas på elektroderna. I lagom omfattning är SEI-tillväxten inget problem. Det medger transport av litiumjoner men blockerar elektroner vilket därmed förhindrar att lagret växer till sig ohämmat. När temperaturen höjs ökar dock tillväxten. Allt fler litiumjoner binds upp och resultaten blir till slut en märkbar försämring av batteriets kapacitet.

SEI står för Solid Electrolyte Interphase. Någon svensk översättning verkar inte finnas. Daniel Brandell brukar om nödvändigt använda sig av det "fasta gränsskiktet på elektroden".

Johan Kristensson

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