Laddade och spännande dagar på Chalmers
Helena Berg
2014-12-17
Helena Berg har sammanfattat ett seminarium om modellering, samt två disputationer om batterier.
Laddade och spännande dagar på Chalmers
skrivet av Helena Berg
Förra veckan var det en riktig påse ‘Gott och Blandat’ med batteriforskning på Chalmers. Under torsdagen arrangerade Chalmers Battery Research Lab och SHC ett seminarium med fokus på modellering – Modelling of Energy Storage/Conversion: From the molecular to the vehicle level.
Och på fredagen var det två disputationer. Under förmiddagen försvarade Susanne Wilken (teknisk fysik) sin avhandling ’Failure Mechanisms of Li-ion Battery Electrolytes: Detection and Mitigation’ och på eftermiddagen var det Jens Groot (elteknik) som försvarade avhandlingen ’State-of-Health Estimation of Li-ion Batteries: Ageing Models’.
Två dagar av energiboost!
Modellering av stort och smått
Sammanfattningsvis kan man säga att förståelsen för hur man väljer och optimerar ett säkert och långlivat batteri kräver förståelse för både material så väl som fordon. Utan kunskap om materialen inne i en cell kan man lätt skapa ett batteri som inte alls håller måttet i längden, och utan fordonskunskap är det lätt att man gör samma misstag…
Seminariet på Chalmers belyste verkligen detta (länk till program). Anders Hellman (Chalmers), Jan Westergren (Wendelsbergs beräkningskemi) och Daniel Brandell (Uppsala) pratade alla om hur olika beräkningsmetoder kan belysa vad som händer på atomär/molekylär nivå för att förutsättningarna på en makroskopisk nivå ska bli så bra som möjligt. Simona Onori (Clemson University, USA) och Pavol Bauer (TU Delft, NL) pratade om hur man optimerar ett hybridfordon med både låg bränsleförbrukning och så litet batterislitage som möjligt som mål – två storheter som inte är lätta att förena.
Simona visade på att energiomsättning inte är tillräckligt för att mäta åldringen på ett batteri, utan man måste även ta hänsyn till hur, var och när energin används – hur fort laddningen/urladdningen sker (dvs vid vilken C-rate), inom vilket SOC-intervall och vid vilken temperatur. Utifrån dessa parametrar skapar hon en ’severity factor’ som varierar i just de tre dimensionerna (C-rate, SOC och temp). Tillsammans med Honda har forskningsteamet skapat styrstrategier för HEV med minimerad bränsleförbrukning och batterislitage, både ur ett kort och ett långt perspektiv. En viktig input till förståelsen är datainsamlingen.
Kopplat till HEV-dimensioneringen pratade Pavol om vikten av att förstå energilagret. Han sa att det var ’the key for system integration’. Med hjälp av modelleringar visade han på hur man kan bestämma storleken och effektuttaget för ett batteri. Som illustration använde han en hamnkran som används i Rotterdams hamn. Avvägningar måste göras för att skapa ett system med så lång livslängd som möjligt och att inte överdimensionera systemet. Input till modelleringen var även kostnad för bränsle och batteri. Han menade på att batteripriserna har sjunkit förvånansvärt snabbt; de kostade ca 1000 $/kWh för inte allt för många år sedan och nu ca 350 $/kWh. Dock finns det många celler med låg kvalitet på marknaden…
Det är inte alltid enkelt att skala upp ett konsumentbatteri till att passa i fordon. Lika svårt kan det vara att ’skala ner’ för att göra mikrobatterier. Detta på grund av olika förutsättningar och att olika material klarar ’jobbet’ olika bra. Daniel visade på hur man med MD-simuleringar kan förstå vad som händer i elektrolyten och hur man kan göra för att snabba på transporten av litiumjoner.
Om Simona, Pavol och Daniel pratade om energilagring, så pratade Anders och Jan om energiomvandling. Anders använde sig av bränsleceller för att exemplifiera vikten av DFT-beräkningar för att förstå hur polarisationer och förluster i en cell sker, för att kunna ta fram nya bättre katalysatorer. Det optimala är att försöka efterlikna de processer som sker i naturen; verkningsgraden är attraktiv i naturen.
Tillsammans med Toyota har Jan och teamet på Wendelsbergs beräkningskemi modellerat förbränningsförloppet för fossila bränslen genom att studera vad som händer med enskilda droppar. Man har använt samma metoder som Daniel använt för att modellera elektrolyter. Droppstorleken och temperaturen har varit de främsta parametrarna för att försöka få fram styrstrategier när man kan starta förbränningen. Resultaten är främst tillämpbara för direktinsprutade system. En av slutsatserna är att reaktionshastigheten är avhängigt det som sker inne i dropparna, t.ex. hur mycket syre som kan lagras innan förbränningen startar.
Säker och hälsosam framtid
Dag 2 var en riktig ’deckardag’. Dagen började med en skräckhistoria där man inte är säker på om man verkligen vill veta vad som händer på nästa sida… Susanne Wilken har i sin forskning studerat vad som händer med elektrolyten i olika felfallssituationer, t.ex. brand. Vill vi verkligen veta vad som händer om telefonen eller datorn börjar brinna? Självklart behöver vi förstå detta. Elektrolyten är instabil i Li-batterier och hämmar potentialen för att använda elektroderna till fullo. Den kemiska energin är betydligt högre än den elektriska energin i ett batteri. Så bästa sättet att få mycket energi är att elda upp cellen, dock lite svår att ladda igen…
Susanne har studerat vad som händer när man tillsätter additiv och om säkerheten verkligen förbättras. Huvudbudskapet är att det är en komplex enhet som inte kan studeras separat. Men att till mångt och mycket är det elektrolyten som bestämmer livslängden och sätter säkerhetsnivån.
Martin Winter (Münster, DE) var opponent och satte Susannes avhandling i ett bredare perspektiv. Som ’guru’ inom området menade han på att elektrolyten är den bortglömda delen i ett batteri och den del som idag nästan saknas för att verkligen kunna ta nästa tekniksteg. Elektroderna bestämmer kapaciteten i en cell, men det är elektrolyten som möjliggör att cellen går att använda. Önskelistan för en elektrolyt är lång och han jämförde den med en mjölkproducerande, äggläggande ullig gris – man vill ha allt på en gång.
Elektrolyten utgör 4-5 vikts% av en 18650-cell och ca hälften av all inaktiv massa i cellen. När det kommer till kostnaden är det saltet i elektrolyten som är det dyra; ca 90% av elektrolytkostnaden är saltet, vilket är 4-10% av hela cellens materialkostnad.
Efter lunch var det dags för en lektion för den som vill veta hur man på bästa sätt tar död på ett batteri genom att cykla på diverse sätt. Att däremot förstå hur man håller ett batteri vid liv så länge som möjligt kräver en del funderingar. Det är just detta Jens Groot har funderat på. Särskilt om man vill studera och modellera batterier för tunga fordon krävs en extra funderare. Dessa fordon används på ett helt annat sätt än en personbil, och tyvärr har det mesta som gjorts inom området kretsat kring personbilar och energioptimerade celler.
Jens har visat på ett komplext samband mellan olika driftsparametrar, så som temperatur, SOC-nivå och C-rate. Opponenten, Simona Onori, vände och vred på Jens modell och all data. Sammanfattningsvis kan man konstatera att det är ytterst svårt att enkelt svara på hur man ska använda ett batteri på bästa sätt – antagligen lika svårt som att bestämma hur länge en specifik människa lever…
Grattis Susanne och Jens till doktorsexamen!
Länk till information om event
Förra veckan var det en riktig påse ‘Gott och Blandat’ med batteriforskning på Chalmers. Under torsdagen arrangerade Chalmers Battery Research Lab och SHC ett seminarium med fokus på modellering – Modelling of Energy Storage/Conversion: From the molecular to the vehicle level.
Och på fredagen var det två disputationer. Under förmiddagen försvarade Susanne Wilken (teknisk fysik) sin avhandling ’Failure Mechanisms of Li-ion Battery Electrolytes: Detection and Mitigation’ och på eftermiddagen var det Jens Groot (elteknik) som försvarade avhandlingen ’State-of-Health Estimation of Li-ion Batteries: Ageing Models’.
Två dagar av energiboost!
Modellering av stort och smått
Sammanfattningsvis kan man säga att förståelsen för hur man väljer och optimerar ett säkert och långlivat batteri kräver förståelse för både material så väl som fordon. Utan kunskap om materialen inne i en cell kan man lätt skapa ett batteri som inte alls håller måttet i längden, och utan fordonskunskap är det lätt att man gör samma misstag…
Seminariet på Chalmers belyste verkligen detta (länk till program). Anders Hellman (Chalmers), Jan Westergren (Wendelsbergs beräkningskemi) och Daniel Brandell (Uppsala) pratade alla om hur olika beräkningsmetoder kan belysa vad som händer på atomär/molekylär nivå för att förutsättningarna på en makroskopisk nivå ska bli så bra som möjligt. Simona Onori (Clemson University, USA) och Pavol Bauer (TU Delft, NL) pratade om hur man optimerar ett hybridfordon med både låg bränsleförbrukning och så litet batterislitage som möjligt som mål – två storheter som inte är lätta att förena.
Simona visade på att energiomsättning inte är tillräckligt för att mäta åldringen på ett batteri, utan man måste även ta hänsyn till hur, var och när energin används – hur fort laddningen/urladdningen sker (dvs vid vilken C-rate), inom vilket SOC-intervall och vid vilken temperatur. Utifrån dessa parametrar skapar hon en ’severity factor’ som varierar i just de tre dimensionerna (C-rate, SOC och temp). Tillsammans med Honda har forskningsteamet skapat styrstrategier för HEV med minimerad bränsleförbrukning och batterislitage, både ur ett kort och ett långt perspektiv. En viktig input till förståelsen är datainsamlingen.
Kopplat till HEV-dimensioneringen pratade Pavol om vikten av att förstå energilagret. Han sa att det var ’the key for system integration’. Med hjälp av modelleringar visade han på hur man kan bestämma storleken och effektuttaget för ett batteri. Som illustration använde han en hamnkran som används i Rotterdams hamn. Avvägningar måste göras för att skapa ett system med så lång livslängd som möjligt och att inte överdimensionera systemet. Input till modelleringen var även kostnad för bränsle och batteri. Han menade på att batteripriserna har sjunkit förvånansvärt snabbt; de kostade ca 1000 $/kWh för inte allt för många år sedan och nu ca 350 $/kWh. Dock finns det många celler med låg kvalitet på marknaden…
Det är inte alltid enkelt att skala upp ett konsumentbatteri till att passa i fordon. Lika svårt kan det vara att ’skala ner’ för att göra mikrobatterier. Detta på grund av olika förutsättningar och att olika material klarar ’jobbet’ olika bra. Daniel visade på hur man med MD-simuleringar kan förstå vad som händer i elektrolyten och hur man kan göra för att snabba på transporten av litiumjoner.
Om Simona, Pavol och Daniel pratade om energilagring, så pratade Anders och Jan om energiomvandling. Anders använde sig av bränsleceller för att exemplifiera vikten av DFT-beräkningar för att förstå hur polarisationer och förluster i en cell sker, för att kunna ta fram nya bättre katalysatorer. Det optimala är att försöka efterlikna de processer som sker i naturen; verkningsgraden är attraktiv i naturen.
Tillsammans med Toyota har Jan och teamet på Wendelsbergs beräkningskemi modellerat förbränningsförloppet för fossila bränslen genom att studera vad som händer med enskilda droppar. Man har använt samma metoder som Daniel använt för att modellera elektrolyter. Droppstorleken och temperaturen har varit de främsta parametrarna för att försöka få fram styrstrategier när man kan starta förbränningen. Resultaten är främst tillämpbara för direktinsprutade system. En av slutsatserna är att reaktionshastigheten är avhängigt det som sker inne i dropparna, t.ex. hur mycket syre som kan lagras innan förbränningen startar.
Säker och hälsosam framtid
Dag 2 var en riktig ’deckardag’. Dagen började med en skräckhistoria där man inte är säker på om man verkligen vill veta vad som händer på nästa sida… Susanne Wilken har i sin forskning studerat vad som händer med elektrolyten i olika felfallssituationer, t.ex. brand. Vill vi verkligen veta vad som händer om telefonen eller datorn börjar brinna? Självklart behöver vi förstå detta. Elektrolyten är instabil i Li-batterier och hämmar potentialen för att använda elektroderna till fullo. Den kemiska energin är betydligt högre än den elektriska energin i ett batteri. Så bästa sättet att få mycket energi är att elda upp cellen, dock lite svår att ladda igen…
Susanne har studerat vad som händer när man tillsätter additiv och om säkerheten verkligen förbättras. Huvudbudskapet är att det är en komplex enhet som inte kan studeras separat. Men att till mångt och mycket är det elektrolyten som bestämmer livslängden och sätter säkerhetsnivån.
Martin Winter (Münster, DE) var opponent och satte Susannes avhandling i ett bredare perspektiv. Som ’guru’ inom området menade han på att elektrolyten är den bortglömda delen i ett batteri och den del som idag nästan saknas för att verkligen kunna ta nästa tekniksteg. Elektroderna bestämmer kapaciteten i en cell, men det är elektrolyten som möjliggör att cellen går att använda. Önskelistan för en elektrolyt är lång och han jämförde den med en mjölkproducerande, äggläggande ullig gris – man vill ha allt på en gång.
Elektrolyten utgör 4-5 vikts% av en 18650-cell och ca hälften av all inaktiv massa i cellen. När det kommer till kostnaden är det saltet i elektrolyten som är det dyra; ca 90% av elektrolytkostnaden är saltet, vilket är 4-10% av hela cellens materialkostnad.
Efter lunch var det dags för en lektion för den som vill veta hur man på bästa sätt tar död på ett batteri genom att cykla på diverse sätt. Att däremot förstå hur man håller ett batteri vid liv så länge som möjligt kräver en del funderingar. Det är just detta Jens Groot har funderat på. Särskilt om man vill studera och modellera batterier för tunga fordon krävs en extra funderare. Dessa fordon används på ett helt annat sätt än en personbil, och tyvärr har det mesta som gjorts inom området kretsat kring personbilar och energioptimerade celler.
Jens har visat på ett komplext samband mellan olika driftsparametrar, så som temperatur, SOC-nivå och C-rate. Opponenten, Simona Onori, vände och vred på Jens modell och all data. Sammanfattningsvis kan man konstatera att det är ytterst svårt att enkelt svara på hur man ska använda ett batteri på bästa sätt – antagligen lika svårt som att bestämma hur länge en specifik människa lever…
Grattis Susanne och Jens till doktorsexamen!
Länk till information om event