Advanced Battery Power i Münster

skrivet av Helena Berg

Bara några dagar efter lastbilsolyckan i Münster var det dags att diskutera batteriforskning vid konferensen Advanced Battery Power. Det var ungefär 500 deltagare (10 svenskar!) som hade letat sig till Münster för att lyssna på ett antal föredrag, diskutera kring posters och ha möjlighet att prata med ett 20-tal leverantörer (många tillverkare av testutrustning).

Det fanns flera parallella sessioner att välja mellan och i år var det extra svårt att välja då det var många intressanta områden som diskuterades: cellmaterial, åldringsstudier, systemaspekter, säkerhet, produktion, resurser och alternativa koncept. Jag valde att fokusera på säkerhet och fastfas-batterier (dvs. solid-state). Stor del av de gemensamma delarna handlade om marknaden; generellt och specifikt Kina.

Standarder för säkerhetstester inte alltid entydiga

EUs Joint Research Centre (JRC) in Holland presenterade en studie där de gått igenom alla standarder för batterier till elfordon; tester på enskilda celler så väl som tester på fordonsnivå. Vanligtvis är det mekanisk, elektrisk och termisk påverkan som standarderna ska belysa. JRC ville även lyfta fram att toxiska aspekter så väl som brandfarlighet bör tas med för att få en bättre helhetsbild.

JRC har identifierat ett antal gap mellan lagkrav och standarder, och att beroende på vilken standard som användes kan kriterierna för ’pass or fail’ vara olika – dvs. samma tester utförs men tolkningen av resultaten görs olika. Ibland överförs lagkrav och standarder som är utformade för ett specifikt användningsområde till andra områden utan att det beaktades om det är relevant eller ej. Ett exempel som lyftes var lagkravet UN38.3, som avser transport av Li-jonbatterier, som även används i icke-transportsammanhang.

Celler med olika format (cylindriska, prismatiska och pouch) testas vanligtvis enligt samma testprocedurer. Det JRC ville se var att testerna bör anpassas efter användningsområde och cellformat. För tester avseende krock (impact) är det heller inte konsekvent om det är batteriet (dvs. fordonet) eller måltavlan (t.ex. ett betongblock) som rör sig. Det område som JRC ansåg var eftersatt när det gäller standarder är andrahandsanvändning (2nd life) och därmed definition av state-of-health (SOH).

Tid mellan cyklings- och säkerhetstester spelar roll, temperaturgradienter styr åldringen

När i tid säkerhetstesterna utförs kan spela stor roll för utfallet. Det har tyska institutet ZSW i Ulm studerat. Celler som har cyklats i visst syfte, och som sedan fått ligga en längre tid innan säkerhetstesterna görs, uppvisar helt andra resultat än om testerna utförs i direkt anslutning till cyklingen. Ofta var konsekvenserna mildare efter att cellerna vilat. Dock finns det vissa felfall som inte avhjälps om cellerna fått vila eller ej. Ett område som visades var Li-plätering. Men även vid vilka temperaturer cellerna cyklats och lagrats; något som kan vara avgörande för snabbladdning vid något för låg temperatur. Det som saknades i presentationen var riktlinjer för användning.

Både det franska institutet ifpen och universitetet i Aachen presenterade fördjupade studier om vad som påverkar åldringen, om åldringen i cellerna är heterogen eller homogen, och hur kalenderlivslängden påverkas. Slutsatserna är att åldringen är heterogen och att temperaturdifferenser i cellerna spelar större roll än strömfördelningen. Det senare gäller för cylindriska celler, och troligtvis större prismatiska celler. Det som var avgörande av hur cellerna av tillverkade – storleksförhållandet mellan anod och katod. Anoden görs alltid något större än katoden, men hur mycket större varierar mellan tillverkare. Celler i pouch-format hade de inte testat (eller inte ville visa/prata om).

Storleken av anoden, i förhållande till katoden, kan även spela roll för kapacitetsförluster vid snabbladdning. Rekommendationen för snabbladdning, ur ett livslängdsperspektiv, är att använda ’boost charge’ (en form av pulsladdning) i kombination med ’konstant-ström – konstant-spänning-laddning’ (CCCV), och inte enbart CCCV-laddning.

Fastfas-Li-batterier dominerade inte diskussionen

Idag är det många nyheter om fastfas-Li-batterier (dvs. solid-state) – pressreleaser och uttalanden från fordonsföretagen världen över. Men i Münster var det tunt då det mesta kretsade kring åldring, säkerhet och laddning av dagens och morgondagens Li-jonbatterier.

När det pratas om fast-fas är det oftast en keramisk elektrolyt som avses, och i kombination med en anod av metalliskt litium. Hur man kan förhindra dendrittillväxt för metalliskt Li fanns det presentationer och posters om. Likaså hur man kan stabilisera gränsytan mot elektrolyten, men då främst med vätskeformig elektrolyt.

En av de mest kritiska aspekterna av fastfas-batterier är hur man ska producera dessa. Här är några axplock från posters. Fraunhofer har funnit en lösning som gör att man kan producera flexibla, tunna och täta kompositelektroder som är blandade med en polymer. Det kritiska för denna lösning är att få en jämn storleksfördelning av de fasta partiklarna i polymeren. Forskningscentrumet i Jülich presenterade en annan metod där de sputtrar elektrolyten. Dock visar de tekniken för tunnfilms-batterier (typ för batterier integrerade i kreditkort) och vägen till fordonsbatterier känns längre. Jülich visade även en poster hur jonledningsförmågan kan ökas i en polymerelektrolyt genom att introducera nano-kanaler i materialet m.h.a. stora ’supermolekyler’ (de använder cyklodextriner). Cyklingsstabiliteten (1C) för celler med LFP-katoder var mycket god över de första 200 cyklerna (fler visades inte).

TU München presenterade en produktionsstudie där de använt olika metoder för att göra sintrade kompositelektrolyter där de blandade in partiklar av katodmaterialet på ena sidan vid sintring av den keramiska elektrolyten. De mest effektiva lösningarna var att använda en sintringsprocess vid ca. 1000 °C. Dock ställer det krav i vilken ordning man gör de olika produktionsstegen då denna temperatur totalförstör katodmaterialet… så de fick blanda in partiklar av elektrodmaterialet i katoden för att ha en fast enhet att jobba vidare med. Utgångspunkten för TU Münchens studie var att använda befintliga produktionsmetoder från andra områden och applicera på batteriproduktion. Än har de bara gjort celler i labformat, men de trodde att celler i storleksordningen 10×10 cm är max för celler med en fast keramelektrolyt.

Detta var fjärde gången som jag besökte konferensen, som enligt mig ger den bästa mixen mellan forskning och användning, och där problemlösning står i centrum. Batterimaterial brukar stå i fokus i Münster och system i Aachen. Nu tycker jag att temat för i år borde vara åldring och säkerhet. Ska bli intressant att se hur systemaspekterna (styrning, användning, säkerhet) diskuteras nästa år. Tycker att du redan nu ska boka in Aachen 3-4 april 2019!