Arkiv / Teknik

Varför är det så tyst om NiMH-batterier?

Creative commons license

Idag får ni Helena Bergs beskrivning av utvecklingen av NiMH-batterier (Nickel Metallhydrid-batterier).

Varför är det så tyst om NiMH-batterier?

skrivet av Helena Berg
För 10-15 år sedan diskuterades olika batteritekniker för HEV och BEV: Li-jon, NiMH och bly-syra. Nu är det nästa uteslutande Li-jonbatterier eller post-Li som är på tapeten. Är det så att andra batteritekniker är ’ute’? Vad är statusen kring NiMH-batterier och hur ser framtiden ut? 40 år av forskning, massor av bra resultat, och så få tillverkare. Vad händer?
För att få svar på frågorna begav jag mig till Norge för att träffa flera av Europas ledande forskare inom området, samt företaget som ’styr’ utvecklingen.
20 år med Toyota Prius
Förutom i elektriska tandborstar finns de flesta NiMH idag i Toyotas och Hondas hybridfordon. Sedan lanseringen av Prius 1997 har Toyota total sålt åtta miljoner HEV [1]. Tillsammans med Hondas 1,8 miljoner HEV sedan 2000 [2] så torde det totala antalet NiMH-fordon vara omkring tio miljoner. Bra många fler bilar än som har Li-jonbatterier med andra ord.
Produktionen av NiMH-celler är väl utvecklad. Toyota och Honda kommer med största sannolikhet fortsätta använda NiMH i HEV för en lång tid framöver. Till 2020 förutspås försäljningen av NiMH-baserade fordon öka med fyra gånger jämfört med 2010 års försäljning. Li-jonbatteribaserade fordon förutspås att öka tio gånger under samma period. Det intressanta är att det i princip är ett bolag som står för ökningen av NiMH-batterierna medan det är ett stort antal bolag som slås om Li-jontillverkningen.
En fördel med NiMH-batterier är att de håller laddningen under användningen. Detta märker du när du borstar tänderna – samma kraft i borstningen varje dag tills det helt plötsligt är tomt. Nackdelen är att NiMH är tunga jämfört med Li-jonbatterier. NiMH-batterier kan även laddas vid höga temperaturer (ca 75 °C) och med höga hastigheter.
Redan GMs EV1 hade NiMH-batterier – ett batteri som laddades på fyra timmar och som tog oss nästan 300 km på en laddning. Imponerande!
Om man grovt jämför hur långt man kommer med 100 kg celler av olika tekniker kommer vi ca dubbelt så långt med Li-jonbatterier. Men utvecklingen går framåt på båda fronter och räckvidd på 300 km antas möjlig för båda teknikerna (med 100 kg celler alltså).
Forsknings framkant
I princip är det inget nytt ’under huven’ när det gäller kemin inne i cellerna, det är cell- och packdesignen som optimerats i de olika versionerna från Toyota. Men forskningen står inte still. Det är främst i Europa och Japan forskningen bedrivs, och en av de stora spelarna är Stockholms Universitet med professor Dag Noréus i spetsen. Även Karlsruhe i Tyskland och franska CNRS-nätverket är stora, liksom IFE i Norge (där mötet ägde rum).
Forskningen fokuserar främst på några få områden: effektprestanda, låg-temperaturprestanda och koboltfria metallhydrider.
Olika legeringar baserade på magnesium är ett hett spår. Under tidsperioden 2005-2013 dominerade Mg-material de vetenskapliga artiklarna.
Vi har tidigare i år skrivit om tillgångar på kobolt (länk). EU har fört upp kobolt på listan över metaller/ämnen som man vill begränsa [se t.ex. 3]. Totalt produceras och förfinas ca 92.000 ton kobolt per år världen över. Ca 40.000 ton kommer från anläggningar i Kina; dock är den inhemska brytningen bara en liten del av detta. Finland förfinar ca 11.500 ton, men enbart av importerade råvaror. [4]
Den största mängd (ca 94 %) nybruten kobolt kommer från nickel- och koppargruvor, i huvudsak i Afrika [5]. Av all producerad kobolt används 41 % till batteriproduktion [4].
Förutom att komma bort från kobolt vill man även minska mängden sällsynta jordartsmetaller i NiMH-batterierna.
Nya mindre korrosiva elektrolyter är av intresse (idag är det kaliumhydroxid som används i kommersiella celler). Till exempel är det organiska elektrolyter som utvärderas. Elektrolyten har en viktig roll i de elektrokemiska reaktionerna och därför är det viktigt att man minimerar sidoreaktionerna. Risken är annars att cellerna torkar ut. Elektroderna ytbehandlas ofta för att förhindra korrosion.
Idag använder man ett mycket begränsat SOC-fönster – så lågt som 5 % är inte ovanligt. Traditionellt sett har kravet på NiMH-batterier varit att de ska överladdas med 50 %, vilket lett till att man tagit i med hängslen och livrem för att garantera säkerhet, prestanda och livslängd. Nu är det ingen som efterfrågar detta och det får man tacka användandet av Li-jonbatterier (vilka inte alls ska överladdas). Nu kan man använda kol i elektroderna, vilket var omöjligt tidigare pga. risken att CO och CO2 bildandes vid överladdning.
Med ett utökat SOC-fönstret kan NiMH-batterier närma sig Li-jonbatterier rent prestandamässigt. Beroende på val av elektrolyt kan SOC-fönstret utvidgas väsentligt. Även spänningen kan ökas från dagens 1,2 V upp mot 3 V. Jonvätskor och fasta elektrolyter är två forskningsområden.
Även användningen av ett batteristyrsystem – BMS – är något som NiMH-batterier kan lära av Li-jonbatterier. Idag är BMS för NiMH mycket lite utvecklat.
Stark portfölj
Idag är det BASF som styr HEV-utvecklingen med NiMH-batterier via sitt amerikanska dotterbolag Ovonic. De äger alla viktiga IP-rättigheter kring NiMH-batterier. Givetvis finns det fler som har patent kring NiMH-batterier, men alla som in på den amerikanska marknaden måste köpa licens från Ovonic.
Ovonic tillverkar inga celler utan enbart aktiva elektrodmaterial, och man forskar friskt kring alternativa materiallösningar – känns som om de snart scannat alla möjliga och omöjliga kombinationer av det periodiska systemet.
Idag finns det några få större tillverkare av NiMH i världen – Panasonic, FDK, Kawasaki och Toyota för att nämna några. De tillverkar NiMH-batterier på licens från Ovonic. Det mesta händer i Asien, och på den europeiska spelplanen är svenska Nilar (www.nilar.com) ganska ensamma. De tillverkar bipolära NiMH-batterier med en smart och kompakt konstruktion med produktion i Gävle.
Egna kommentarer
Personligen tycker jag att NiMH-batterier har fått oförtjänt lite utrymme i debatten kring electromobility.
Bra att man försöker hitta material som är mer eller mindre temperaturokänsliga och att kobolt och andra kritiska metaller minimeras. Tycker att BMS-utvecklingen borde få hög prioritet för att utöka SOC-fönstret och på så sätt öka antalet möjliga användningsområden.
Metallhydrider i olika varianter används även för vätgaslagring. Jag har valt att inte skriva om det idag men kan bli en konkurrent ur ett produktionsperspektiv.
Är Ovonics strategi att kränga licenser till ett högt pris en lönsam affär i längden, eller en återvändsgränd? Än så länge är det vissa som betalar, men vad händer om Toyota och andra bestämmer sig för en annan batteriteknik? Ovonic verkar vilja dominera – slå ut Li-jonbatterier med förbättrad prestanda och stämma företag som vill slå sig in i branschen utan att betala licens… Detta är tvärt emot vad Toyota gör inom bränslecellsområdet. För att få fart på teknikutvecklingen kan man fram till och med 2020 fritt använda sig av Toyotas 5680 patent för att producera bränsleceller som väl som bränslecellsfordon [6].
Hur man än vänder det så går NiMH-batterierna mot en spännande och laddad framtid… och en teknik som inte är borträknad för elfordon.
Referenser
[1] With 8 Million Units Sold, Toyota Proves Hybrids Have Staying Power. Toyota Pressrelease. länk
[2] Icke-officiella data från Honda (privata kontakter).
[3] Cobalt reach consortium. länk
[4] Cobolt Supply and Demand. länk (pdf)
[5] Tesla: Another Thing To Worry About. länk
[6] Toyota Opens the Door and Invites the Industry to the Hydrogen Future. länk