Rapport från SHC på EVS28, Seoul; Batteries & Energy Storage

onsdag, maj 20, 2015

Medlemmar från SHC deltog i en gemensam nordisk representation på Electric Vehicle Symposium i Seoul, Korea i slutet av maj 2015. Här följer den andra av rapporterna därifrån.

Rapport från Technical Session ”Batteries & Energy Storage”, EVS, 4:e-6:e maj 2015

Skribent: Henrik Ekström, Tillämpad Elektrokemi, KTH

Åldringsfenomen, körcykler och livstidsdata
Simon F Schuster från Teknische Universität München diskuterade åldring av li-jonceller (18650), framförallt med fokus på den övergång från en uppstannande till en accelererande förlust av kapacitet som börjar inträda då batteriet åldrats ett tag (<90% av ursprunglig kapacitet). Grafit användes på negativa elektroden och ett flertal olika positiva elektrodmaterial användes (LFP/NMC/LMO). Högre laddström gav högre åldring, men högre urladdningsström påverkade inte åldringen nämnvärt. För temperaturen så gjordes försök vid 25C, 35C och 50C. Åldringshastighetens beroende på temperaturen var 25C< 50C < 35C. Dvs maximum vid 35 grader. SEI bildning observerades tydligt i SEM i postmortem-försök. Simon trodde att princip all åldring till skedde på negativa grafitelektroden. Han spekulerade att den accelererande åldringen skulle kunna vara ett resultat av försämrad jonledning med påföljande litiumplätering, delvis irreversibel, som följd.

Kommentar: En del av de experimentella resultaten överensstämmer kvalitativt med de som Jens Groot visade i sin avhandling.

Andrea Marongiu från RWTH Achen University presenterade sin metod för att kapacitetsbestämma  batterier då dessa åldras. Metoden bygger på att konstruera en öppetspänningskurva utifrån de individuella spänningskurvorna per elektrod, givet mängden aktivt material och individuella laddningstillstånd och anpassa denna (med ett fåtal parametrar) mot en uppmätt laddningskurva som exempelvis sparas under nattlig uppladdning. Hela proceduren skulle kunna göras ombord på fordonet.

Kommentar: Metodiken är nog knappast ny även om föredragshållaren försökte framställa den som det.

Joe Miller från Department of Energy, USA, höll ett föredrag om DOEs program ”EV everywhere” som Obama drog igång 2012. Jag misstänker att Magnus Karlström nog skrivit om detta program förut så jag redovisar inte allt om detta program här. Mer information finns i DOE Annual Merit Review (slides) och DOE Annual Progress Report (rapporter). Intressantast var det han redovisade om insamlade fordonsdata från vanliga användare där man jämfört Nissan Leaf mot Chevrolet Volt. T.ex. att dessa två bilmodeller dagligen i genomsnitt går ungefär lika långt på el, 25 miles, och att man typiskt laddar 60% av elen hemma och 35% på jobbet. Joe Miller visade också en kurva som visade påverkan av snabbladdning av Nissan Leaf mot vanlig ”Level 2” laddning m.a.p. kapacitetsförluster. Effekten av snabbladdning innebar en (relativ?) försämring med enbart 2.6%.

Kommentar: Personligen hade jag förväntat mig värre långsiktiga effekter av snabbladdning.

Peter Keil (Technische Universität, München presenterade experimentella data för åldring av 18650 NCA-grafitceller m.a.p. regenerativ bromsning (där strömmarna uppgick till som mest 1.5C). Körcykeln var US06. Ingen direkt försämring av regenerativ bromsning kunde konstateras. Höga SOC ökade däremot åldringen generellt. Han visade också att kalenderåldring (dvs när batterierna inte används) ökade med temperatur, medan cykelåldring minskar för högre temperaturer.

Kommentar: Eftersom strömmarna var så låga som högst 1.5C så säger inte studien knappast något om effekter av regenerativ åldring i t.ex. en PHEV tillämpning där strömmarna blir högre. Att cyklingsåldringen minskar med högre temperatur skulle kunna bero på att litiumplätering då minskar för denna körcykel.

Kylningsstrategier
Tae Kwon Kim (Hyundai Mobis) diskuterade kylningsstrategier. Man skiljer på indirekt och direkt kylning. Indirekt kylning innebär att kylmediet strömmar (vätska eller luft) på sidorna av batteripaketet, och att värmen leds dit konduktivt m.h.a. värmerör som placeras mellan de enskilda cellerna (prismatiska eller påsar). Direkt kylning innebär att kylmedium flödar även mellan cellerna i paketet. Slutsatserna var få förutom att branschen inte tycks ha bestämt sig för vad som är bäst efter som alla strategier finns i rullande fordon till försäljning i dagsläget.

Chock- och vibrationstester av litiumjonbatterier
Martin Brand (Technische Universität, München) höll ett intressant föredrag och chock och vibrationstester av cylindriska batterier. Vibrationstesterna utfördes enligt UN38.3T3 och chocktesterna enligt UN38.3T4. För vibrationstesterna såg man i princip inga försämrande effekter på impedans eller kapacitet, men med mikroröntgentomografi kunde man konstatera att den lilla centralt placerade plastpinnen kring vilken elektrodskikten rullas inne i batteriet (Engelska: ”mandrel”) hade rubbats. För vibrationstester över 100 dagar kunde  även skador på strömtilledare konstateras p.g.a. plastpinnens härjningar. I checktesterna sågs inte heller några effekter på impedans eller kapacitet, men man såg i tomografimätningarna att plastpinnen till och med slagit sönder den interna anordning som skall skydda mot överhettning och explosioner (Engelska: CID, current interrupt device). Detta var inget som gick att se från utsidan.

Laddningsstrategier och -kontroll av elbilsflottor
Paul Codani (PSA Peugot Citroën) presenterade simuleringar gjorda på laddning av elbilsflottor från förnybara energikällor (vind och sol) för olika regioner i Frankrike. Han jämförde kontrollerad (med samordnad styrning av laddning) mod ickekontrollerad laddning (bilen laddas när kontakten sätts i väggen). Slutsatsen var att en hög andel sol mot vid är problematiskt för det icke-kontrollerade fallet men att för vissa regioner (med hög andel vind mot sol) kan man spara pengar genom att inte implementera styrning av laddning.

Mätmetodik för gasutveckling i litiumjonbatterier
Dee Strand (Wildcat Discovery Technologies, USA) säljde in Wildcat’s analysmetodik för batterimaterial. Tekniken bygger på en egen mätcell med en ”hard cell case” för att mäta tryckutveckling i celler med hjälp av en ”pressure transducer”. Det ökande trycket härrör från gasutveckling som i sin tur beror på oönskade sidoreaktioner i batteriet. Wildcat säljer enbart analysen – själva mätcellen är inte till försäljning. Hon visade olika fall där man kunde se hur olika additiv minskade gasutecklingen och hur högre potentialer för det positiva materialet ökade gasutvecklingen.

Framtidens elektrodmaterial i litiumjonbatterier
Tom Van Bellinghen (Umicore) höll ett mycket intressant föredrag om elektrodmaterial. Umicore är leverantör av diverse positiva elektrodmaterial (LCO/NMC/NCA/LFP) och även LTA för negativa sidan. Hittills har företaget levererat 70 miljoner ton positivt material, tillräckligt för att förse jordens samtliga invånare med en mobiltelefon, alternativt 1 miljon elektriska fordon.
I den nära framtiden jobbar man med ett antal olika strategier för att förbättra kapacitet och prestanda. Man tittar dels på den kemin, men även på struktur på själva materialet (”powder design”). Tom hävdade att en fördubbling av batterikapaciteten, baserat på det de ser framför sig är möjlig. Kapaciteten kan höjas dels genom att bredda SOC-fönstret för befintliga material (vilket ökar antar amperetimmar), men även kunna gå upp potential (ökar batterispänningen). För NMC (Ni-Mn-Co) tittar man på andra sammansättningar med högre mängd Ni, tex 5:3:2, 6:2:2 eller till och med 8:1:1. För högre nickelmängder är visserligen svällning ett problem, men det kan motverkas.
Tom pratade sedan om hur tillgången på dessa material ser ut i världen. För litium är inte själva mängden ett problem, men en oligopolrisk hos leverantörerna föreligger. För kobolt höjde han däremot ett varningens finger för den globala tillgången. Nickel räknar man med kommer att gå upp i pris i framtiden. Sammansättningarna 5:3:2 eller 6:1:1 blir troligtvis billigast i framtiden och är nog det bästa kompromissen mellan alla faktorer eftersom LFP t.ex. saknar tillräcklig energieffektivitet. För negativa elektroden tror man mest på Si-C bland framtida alternativ till grafit.

Modelleringsverktyg för litiumjonbatterier
Ahmad Pesaran (Nationional Renewable Energy Laboratory, US) presenterade CAEBAT-projektet dom drivit tillsammans av Department of Energy (DOE) ihop med ett flertal mjuvaruföretag för att effektivisera de modelleringsverktyg som finns för att beräkna t.ex. värmeutvecklingen i batteripaket. Svårigheterna ligger i att välja hur pass detaljerat man vill beskriva de olika processerna i batteripaketet, som sker på olika längdskalor. Exempelvis måste man på samma gång lösa upp vad som sker på nm-skala inne i elektrodpartiklarna, elektrolyttransporten i battericellernna mikrometerskala samt värmeledningen i decimeterskala i batteripaketet. Lösningen ligger i att använda flera olika modeller för respektive längdskala och koppla ihop dessa på rätt sätt.  Man vill samtidigt ha en lösning som är flexibel så att man inte måste börja från början igen ifall man vill byta ett elektrodmaterial med lite andra egenskaper. Delar av resultaten finns numera implementerade i programvarorna EC Power AutoLion, CD-Adapco, Star-CCM och Ansys-Fluent.

Kommentar: Det svenska företaget Comsol Multiphysics kunde inte vara med i ovanstående program eftersom DOE inte finansierar utveckling i utländska bolag.
Kommentar: En nyhet i några andra föredrag (av förövrigt undermålig kvalitet) var att Maple numera erbjuder en ”MapleSim battery component” i sin programvara. För det svenska företaget Comsol Multiphysics har konkurrensen sålunda stärkts.

Toyotas Bränslecellsutveckling
Sessionen avslutades med en bränslecellsdel. Det intressantaste föredraget hölls av Hiroyuki Yumiya (Toyota Motor Corporation) som presenterade den tekniska utvecklingen av bränslecellsbilen Mirai. Generellet ser Toyota bränslecellsbilar som ett rimligt alternativ för bilar större än mellanklass (”midsize vehicles”). Ett flertal olika åtgärder gjordes för att få ned produktionspriset på Mirai jämfört med tidigare prototypbilar. En del bestod i att använda så många komponenter som möjligt från Toyotas andra modeller i drivlinan och att minska komplexiteten i bränslecellssystemet. Bland detta kan nämnas att man använder samma motor som för en hybridbil och att kompressorn är bytt till Roots-typ. På grund av förbättringar i stacken har man också lyckats ta bort uppfuktaren (”humidifiern”) helt. Även vätgastanken har förbättras väsentligt m.a.p. tillverkningskostnad.

En annan viktig del bestod stackförbättringar. Mirais bränslecellsstack innehåller 370 celler.  En stor förändring är en nydesignad flödesplatta med ett 3D mikrogitter (”3D micro lattice”) istället för raka flödeskanaler. Med den nya designen kan man bli av med problemet med att vattendroppar, som bildas främst på syrgassidan, pluggar igen vägen för gasflödet. På animerad film visades hur dropparna transporterades bort från elektroden ut i mönstret. En annan förbättring var att använda en tredjedels så tjockt membran som tidigare. Detta medför lägre resistanser i cellen. En annan förändring är att man bytt till en Pt-Co legering på katoden. Detta ger 1.8 gånger högre katalytisk aktivitet på syrgassidan. Sammantaget med det tunnare membranet ger detta en 2.4 gånger högre ström vid den typiska arbetsspännningen för cellen, vilket ju alltså innebär mindre total cellyta för samma stackeffekt..

Kommentar:
1) Att bli av med uppfuktaren är ett stort steg. Tidigare var man alltså tvungen att fuktväxla in- och utloppsgaserna i en stor burk som dessutom skapade extra tryckfall i systemet. Nu kan det i.o.f.s. vara så att man kommit på en enklare lösning, men eventuellt har man tagit bort vattenväxlingen helt. Detta hänger då sannolikt samman med att man fått tag på ett tunnare membran, samtidigt som man optimerat val av elektrodstruktur och gasdiffusionsskikt (GDL) för torra inloppsgaser. Membranet behöver en viss vattenhalt för att kunna leda joner. Jag skulle tro att det vatten som bildas inne i cellen på katodsidan nu diffunderar genom hela membranet i tillräcklig mängd. Att bli av med denna komponent är ett stort steg framåt vad gäller kostnad och även start-stopp problematik i minusgrader.
2) Den nya flödesplattan är också förmodligen också en mindre revolution. Under det glada nittiotalet jobbade man en del med serpentinformade kanaler, detta försökte man så mycket det gick överge i slutet av 00-talet till förmån för helt raka kanaler eftersom man upptäckt att vattendroppar formades lättare i krökar av plattorna. Nu har man alltså tagit ytterligare tagit ett nytt steg och blivit av med kanalerna helt. Kan man vara mer trygg med att den inte finns vätskeformigt vatten kvar inne i cellerna förenklas även start-stopp i minusgrader.
3) Pt-Co legeringar började det glunkas om redan på mitten av 00-talet i den vetenskapliga litteraturen. Ytaktiviteten var så vitt jag minst inte häpnadsväckande mycket bättre än ren Pt, men i kombination med att man faktiskt byter ut hälften av ädelmetallen mot kobolt så blir ädelmetallanvändingen ändå väsentligt mindre jämfört med ren Pt. Blir bara inte tillverkningskostnaden mycket högre så finns alltså potentialen att nå högre katalytisk aktivitet för samma peng.