Stockholm maraton och batterilivslängd

Den 28 maj försvarade Matilda Klett sin avhandling ’Electrochemical Studies of Aging in Lithium-Ion Batteries’ [1] och den 3 juni var det Pontus Svens tur att försvara avhandlingen ’Methods for Testing and Analyzing Lithium-Ion Battery Cells intended for Heavy-Duty Hybrid Electric Vehicles’ [2].

Och mitt i allt detta har Stockholm maraton gått av stapeln. Vad har nu detta med batterier att göra?

Det är lätt att göra en jämförelse mellan en människa och ett litiumbatteri. Båda har en snarlik optimal inre temperatur och trivs kanske bäst när det är 20-25 °C ute. Vi gillar att ligga på sofflocket ibland, springa till bussen klarar vi av och det sägs ju att man förlänger livet med ett maraton eller två. Ja, om man tränar lite förstås. På samma sätt är det med ett batteri. Det gäller att använda dem och träna dem för ett uthålligt liv, speciellt på ett tungt hybridfordon där det är många rusher under maratonloppet.

Vi har ganska bra statistik över medellivslängden i Sverige. Det som saknas i statistiken är hur olika former av träning påverkar den enskilda människan. Vad det gäller medellivslängdsstatistik för fordonsbatterier är det i princip tomt. Med hjälp av olika mätmetoder försöker vi få en bild av hur länge ett batteri håller. Vi sätter upp olika träningspass i labbet och tror att vi under ett par månader ska få de svar vi hoppas/tror oss finna – evigt liv, eller i alla fall 10-15 år…

Matrisen över möjliga kombinationer av celler, kemier och fordon växer snabbt och det är svårt att dra några generella slutsatser. Många testmetoder går ut på att accelerera testerna genom att höja temperaturen eller att utnyttja en komprimerad testprofil med en tuff belastningscykel. Om vi skulle översätta dessa testmetoder för att ta reda på vad som händer med oss människor, kanske inte främst vilken slutlig ålder vi kommer uppnå utan kanske hur snabbt vi kommer springa Stockholm Maraton, kommer vi till orimliga situationer. Testet skulle kunna vara ett löparband i en het bastu, gärna en finsk rökbastu, och springa allt vi kan tills vi stupar. Allt för att testa extrema förhållanden. Sedan räknar vi ut hur långt vi sprang och ser vilken tid vi får på 42195 m… Knappast troligt… Och tänk vilken dålig tid jag skulle göra på 100 m om jag räknade baklänges från min tid på ett maraton…

Det är ju bara att titta på musklerna hos en 100 m-löpare och en långdistanslöpare; den ene är effektoptimerad och den andre energioptimerad. Olika fordon kräver även de olika muskler; batterier. Li-batterier är en hel familj av kombinationer, och beroende på vilken man väljer får man olika egenskaper. Därför är det viktigt att välja rätt kombination till sitt fordon.

Det är här Matildas och Pontus avhandlingar kommer in i bilden. Sedan 2008 pågår ett samarbete – Li-klustret – mellan AB Volvo, Scania, Uppsala och KTH för att försöka förstå vad som åldrar ett batteri i ett tungt hybridfordon (dvs lastbil eller buss). Det är Energimyndigheten som finansierar Li-klustret, där man studerar effektoptimerade celler ur ett antal olika synvinklar. Den kemikombination som studerats är litium-järnfosfat//grafit.

Matlida har försökt att sätta fingret på hur åldringsmekanismerna uppstår och i vilka delar av cellen. Framför allt har elektrokemiska analysmetoder och impedansspektroskopi i kombination med fysikalisk modellering har varit Matildas verktyg. Även NMR har använts för att få fram parametrar för modelleringen; koncentrationsgradienter i elektrolyten och hur dessa varierar under cykling. Att förstå hur Li-joner rör sig igenom elektrolyten ger ett mått på hur energiförlusterna uppstår under användandet av en cell. Genom post-mortemanalyser, eller obduktioner, har hon analyserat celler som utsatts för olika åldringsbetingelser och sedan analyserat om det finns några samband. Matilda har visat, med hjälp av att göra nya små celler av de åldrade katoderna och anoderna, att det är framför allt anoden som står för det största bidraget till degraderingen. Dessa nya celler, i kombination med impedansspektroskopi, har visat sig vara en framgångsrik metod för att förstå vad som händer under åldringen.

Vissa celler har åldrats vid en högre temperatur och det visar sig att det sker helt andra kemiska processer som förstör cellen och där resultaten inte går att översätta till lägre temperaturer.

Effektoptimerade Li-batterier är vanligtvis cylindriska. Matilda och Pontus har tillsammans med doktorander inom Li-klustret, funnit att det är en skillnad längs ’rullen’ och även mellan mitten av cellen och kanterna [3]. Den troliga orsaken är en ojämn temperatur- och strömfördelning. Detta tyder på att utformningen av och prestandan för kylsystemet är oerhört viktigt för att livslängden ska bli så optimal som möjligt på ett tungt hybridfordon.

Pontus har försökt att förstå hur körcykeln påverkar cellerna. Celler från samma batch som Matilda har använt, har Pontus placerat på några vanliga lastbilar och bussar. Genom att konstruera en smart anordning har han skapat ’pico-hybrider’. En styrenhet, som emulerar ett hybridfordon har varit kärnan i anordningen. Cellerna har på detta sätt känt av de verkliga driftsbetingelserna som vibrationer och temperaturer, och samtidigt utnyttjas som om de vore del av ett större batteripack. Lastbilarna och bussarna har sedan använts i sin normala vardag under två år. Sedan har Pontus kunnat vrida och vända på alla data och koppla ihop resultaten med övriga resultat från Li-klustret.

Pontus har även studerat vad som händer med celler av en annan kemi; med anod av litiumtitanat. Här är det katoden som står för degraderingen, till skillnad från cellerna med grafit som anod.

Det som både Matilda och Pontus påpekar i sina avhandlingar är att det inte bara finns en metod som man ska använda för att bestämma livslängden och förstå hur åldringen går till, utan att en kombination av tester och analysmetoder behövs. Framförallt är det viktigt att åldningscyklingen sker enligt realistiska procedurer för den verkliga användningen i det tänkta fordonet.

Och så kommer man till det där med att ladda batterierna – visst vore det bra att kunna snabbladda sig själv efter ett maraton, och då gärna på tre till sex minuter, precis som ett elfordon. Om jag skulle springa Stockholm Maraton skulle jag nog behöva trycka i mig motsvarande fem chokladkakor, 40 ägg eller 28 bananer! Hu!

Grattis Matilda och Pontus till doktorsexamen och era insatser inom batteriforskningen!

Källor

[1] Matilda Klett. Electrochemical Studies of Aging in Lithium-Ion Batteries. länk

[2] Pontus Svens. Methods for Testing and Analyzing Lithium-Ion Battery Cells intended for Heavy-Duty Hybrid Electric Vehicles. länk

[3] Non-uniform aging of cycled commercial LiFePO4//graphite cylindrical cells revealed by post-mortem analysis. Matilda Klett et al. Journal of Power Sources. Volume 257, 1 July 2014, Pages 126–137. länk