Trender från stor tysk batterikonferens samt tips om en lic
Helena Berg
2016-05-10
Idag får ni Helena Bergs sammanfattning av en tysk batterikonferens.
Igår fick ni tips om ett antal kommande disputationer och licentiatseminarier.
Ett tips till är att den 25 maj kl 13:15 i sal EL41 kommer Niklas Jakobsson (Fysisk Resursteori, Chalmers) presentera sin licentiatavhandling ”On Battery Electric Vehicles: Driving Patterns, Multi-Car Households and Infrastructure”.
En laddad tillställning i ett kallt Münster
skrivet av Helena Berg
Sista veckan i april gick årets upplaga av Advanced Battery Power av stapeln i Münster. Detta är tredje gången jag besöker konferensen; en konferens som vartannat år är i Münster och vartannat år i Aachen. Här blandas akademisk och industriell forskning i en skön mix. Allt från ’atomer’ till applikation diskuteras. Tyngdpunkten ligger på pack/system/livslängd för fordon.
450 deltagare, 60 föredrag, 200 postrar och 40 utställare – klart imponerande!
Idag får du en sammanfattning av det jag tyckte var viktigast under konferensen.
Fast & fast – solid & snabbt
Tydligaste trenderna var presentationerna om ’all solid state’ Li-batterier och snabbladdningsproblematiken. Vi har tidigare skrivit om solid-state-tekniken. Elektrolyten var i fokus – inte konstigt då Münster är Tysklands centrum för elektrolytforskning. Kanske starkaste forskningsmiljön för elektrolyter i Europa?
Mekanisk styrka, mikrostruktur, kemisk stabilitet, bräcklighet och samspelet med elektroderna behandlades av olika föredragshållare. Det som driver utvecklingen av fasta elektrolyter (då främst oxider) är inte att öka energitätheten hos cellen utan förbättra laddningsmottagligheten – snabbladdning. Ett fordonsföretag som forskar mycket kring detta är Toyota.
Det som kan ses som nytt när det kommer till nya material för Li-jonbatterier är andra typer av katodmaterial – Li-rika FCC. FCC står för ’face-centred cubic’ och avser kristallstrukturen hos värdstrukturen för det aktiva katodmaterialet. Prof. Maximillian Fichtner, Helmholtz Institute Ulm, presenterade olika tänkbara FCC-material för att kunna öka cellkapaciteten. Än är denna typ av material enbart för forskningsceller. Prof. Fichtner jämförde data med de Ni-rika NMC som är näst på tur att bli ’normen’ för många fordonsbatterier. Han visade på att det finns FCC-material som har potential att bli mindre i volym till samma vikt.
Koreansk offensiv
Samsung har startat batteritillverkning i Ungern och nyligen blev det klart att LG Chem startar celltillverkning i Polen och produktionen beräknas vara igång 2017. LG Chem presenterades deras senaste tekniktrender för xEV.
Sedan 2009 finns det 516.000 fordon med LG Chems celler: 301.000 HEV, 139.000 PHEV och 76.000 BEV. Detta utan några säkerhetsproblem, om vi får tro LG Chem själva. Globalt jobbar LG Chem med 25 OEM i över 70 olika projekt – nästan hälften av dessa i Kina och Korea.
Det intressanta var hur de såg på framtida utmaningar för att öka räckvidden och sänka kostnaderna.
Kostnaden sänks framför allt med att förenkla packkonstruktionen och minska kylbehovet. Celler med förbättrade temperaturprestanda behövs därför.
Att öka räckvidden görs genom mer sofistikerade BMS-lösningar där även geografisk, metrologisk och trafikinformation beaktas. Detta i kombination med snabbladdning.
På cellnivå behöver man skapa celler med hög beläggning av aktivt elektrodmaterial för att få längre räckvidd (dvs. mer kapacitet i cellen). Detta leder till att lägre strömmar måste användas för att kunna dra nytta av hela kapaciteten. Därför anser LG Chem att fokus bör vara kring partikelstorlek och beläggningar av de aktiva elektrodmaterialen för att bl.a. minska resistansen. Men även hur man tillverkar cellen kommer vara avgörande. De visade även data att den inre resistansen i cellerna var i princip oförändrad efter 600 cykler med snabbladdning (framgick dock inte tydligt om det var fulla cykler som avsågs eller inom ett snävare SOC-intervall).
Cellerna bör kunna utgöra 80 % av packvolymen och med en temperaturgradient på <3°C (dvs. en mycket jämn temperaturfördelning i hela batteripacket) enl. LG Chems beräkningar. Med deras nya (?) celler kan man även reducera höjden på ett pack med 4 cm.
Forskningen enl. LG Chem beror på vilken applikation som är i åtanke. Partikelstorlek och förbättring av elektrolyten är viktigast för HEV och för µHEV är det en flack spänningsprofil som är viktigast (t.ex. celler med LTO eller LFP). För BEV är det energin per volymenhet som driver och då är det katoder och elektrolyter för högre cellspänning och Si-baserade anoder som är vägen framåt, enl. LG Chem.
Från teoretisk till användbar energi
Det är många siffror som figurerar i olika sammanhang om energiinnehållet. Vet man inte skillnaderna är det lätt att ta fel och ibland presenteras data medvetet för att förvirra. Teoretiska materialdata kan tolkas som det som är praktiskt användbart i ett fordon. Det kan röra sig om mycket stora fel om data hamnar i ’fel’ händer.
Användbar energi i en cell är avhängt vilken effekt som avses, ålder på cellen och givetvis säkerhetsläget. Hur packdesignen ser ut kan även det spela roll hur stora strömmar som kan användas. Allt detta behandlades av Prof. Peter Birke från University Stuttgart. Teoretiska energivärden säger mycket lite eller vissa fall ingenting om användbar energi – allt är avhängt vilken effekt du tar ut. Prof. Birke använde begreppet ’from paper to pack’ och det säger rätt bara vad som avses – dvs. från teoretiska värden till praktiskt användbara data för fordonsdesign. För bly-syrabatterier är det ungefär en faktor 6 från ’paper to pack’ och för Li-jon är denna faktor 4. Största förbättringspotentialen är från ’cell to pack’.
Förhållandet energi per vikt (dvs. Wh/kg) är det som diskuteras, men det avgörande är oftast Wh/L. Grovt räknat har Li-jonbatterier dubbelt så mycket energi per viktsenhet jämfört med volymsenhet. Post-Li-teknikerna Li-svavel och Li-syre har ungefär samma energi för både vikt och volym. Avgörande för BEV är volumetrisk energitäthet och laddningsmottagligheten – både Li-svavel och Li-syre har stora problem med detta.
Att gå från ’paper to pack’ enligt Prof. Birkes modell är vägen framåt för fordonsbatterier förbättrade Li-jonbatterier med högre spänning, Si-anoder och ’solid state’-tekniker. Andra tekniker har problem med effekt och detta kommer inte att kunna lösas inom en överskådlig framtid.
Åldring
Som alltid när batterier för xEV diskuteras så hamnar man snabbt kring livslängdsproblematiken. Så även på konferensen. Tyskland har tagit ett rejält steg för att öka förståelsen genom att inrätta en professur i ’livslängd’ i Aachen.
Testmetoder, post-mortemanalys, packdesign, styrstrategier, modellutveckling, SOC- och SOH-algoritmer – allt fanns. Att tillförlitligt kunna ’mäta’ SOH är den bakomliggande knäckfrågan. Hur man ska identifiera förluster belystes från olika synvinklar i många föredragen och på väldigt många postrar. Något som indikerar hur komplex åldringsproblematiken är.
Slutsatserna om åldring tål att upprepas:
Sista veckan i april gick årets upplaga av Advanced Battery Power av stapeln i Münster. Detta är tredje gången jag besöker konferensen; en konferens som vartannat år är i Münster och vartannat år i Aachen. Här blandas akademisk och industriell forskning i en skön mix. Allt från ’atomer’ till applikation diskuteras. Tyngdpunkten ligger på pack/system/livslängd för fordon.
450 deltagare, 60 föredrag, 200 postrar och 40 utställare – klart imponerande!
Idag får du en sammanfattning av det jag tyckte var viktigast under konferensen.
Fast & fast – solid & snabbt
Tydligaste trenderna var presentationerna om ’all solid state’ Li-batterier och snabbladdningsproblematiken. Vi har tidigare skrivit om solid-state-tekniken. Elektrolyten var i fokus – inte konstigt då Münster är Tysklands centrum för elektrolytforskning. Kanske starkaste forskningsmiljön för elektrolyter i Europa?
Mekanisk styrka, mikrostruktur, kemisk stabilitet, bräcklighet och samspelet med elektroderna behandlades av olika föredragshållare. Det som driver utvecklingen av fasta elektrolyter (då främst oxider) är inte att öka energitätheten hos cellen utan förbättra laddningsmottagligheten – snabbladdning. Ett fordonsföretag som forskar mycket kring detta är Toyota.
Det som kan ses som nytt när det kommer till nya material för Li-jonbatterier är andra typer av katodmaterial – Li-rika FCC. FCC står för ’face-centred cubic’ och avser kristallstrukturen hos värdstrukturen för det aktiva katodmaterialet. Prof. Maximillian Fichtner, Helmholtz Institute Ulm, presenterade olika tänkbara FCC-material för att kunna öka cellkapaciteten. Än är denna typ av material enbart för forskningsceller. Prof. Fichtner jämförde data med de Ni-rika NMC som är näst på tur att bli ’normen’ för många fordonsbatterier. Han visade på att det finns FCC-material som har potential att bli mindre i volym till samma vikt.
Koreansk offensiv
Samsung har startat batteritillverkning i Ungern och nyligen blev det klart att LG Chem startar celltillverkning i Polen och produktionen beräknas vara igång 2017. LG Chem presenterades deras senaste tekniktrender för xEV.
Sedan 2009 finns det 516.000 fordon med LG Chems celler: 301.000 HEV, 139.000 PHEV och 76.000 BEV. Detta utan några säkerhetsproblem, om vi får tro LG Chem själva. Globalt jobbar LG Chem med 25 OEM i över 70 olika projekt – nästan hälften av dessa i Kina och Korea.
Det intressanta var hur de såg på framtida utmaningar för att öka räckvidden och sänka kostnaderna.
Kostnaden sänks framför allt med att förenkla packkonstruktionen och minska kylbehovet. Celler med förbättrade temperaturprestanda behövs därför.
Att öka räckvidden görs genom mer sofistikerade BMS-lösningar där även geografisk, metrologisk och trafikinformation beaktas. Detta i kombination med snabbladdning.
På cellnivå behöver man skapa celler med hög beläggning av aktivt elektrodmaterial för att få längre räckvidd (dvs. mer kapacitet i cellen). Detta leder till att lägre strömmar måste användas för att kunna dra nytta av hela kapaciteten. Därför anser LG Chem att fokus bör vara kring partikelstorlek och beläggningar av de aktiva elektrodmaterialen för att bl.a. minska resistansen. Men även hur man tillverkar cellen kommer vara avgörande. De visade även data att den inre resistansen i cellerna var i princip oförändrad efter 600 cykler med snabbladdning (framgick dock inte tydligt om det var fulla cykler som avsågs eller inom ett snävare SOC-intervall).
Cellerna bör kunna utgöra 80 % av packvolymen och med en temperaturgradient på <3°C (dvs. en mycket jämn temperaturfördelning i hela batteripacket) enl. LG Chems beräkningar. Med deras nya (?) celler kan man även reducera höjden på ett pack med 4 cm.
Forskningen enl. LG Chem beror på vilken applikation som är i åtanke. Partikelstorlek och förbättring av elektrolyten är viktigast för HEV och för µHEV är det en flack spänningsprofil som är viktigast (t.ex. celler med LTO eller LFP). För BEV är det energin per volymenhet som driver och då är det katoder och elektrolyter för högre cellspänning och Si-baserade anoder som är vägen framåt, enl. LG Chem.
Från teoretisk till användbar energi
Det är många siffror som figurerar i olika sammanhang om energiinnehållet. Vet man inte skillnaderna är det lätt att ta fel och ibland presenteras data medvetet för att förvirra. Teoretiska materialdata kan tolkas som det som är praktiskt användbart i ett fordon. Det kan röra sig om mycket stora fel om data hamnar i ’fel’ händer.
Användbar energi i en cell är avhängt vilken effekt som avses, ålder på cellen och givetvis säkerhetsläget. Hur packdesignen ser ut kan även det spela roll hur stora strömmar som kan användas. Allt detta behandlades av Prof. Peter Birke från University Stuttgart. Teoretiska energivärden säger mycket lite eller vissa fall ingenting om användbar energi – allt är avhängt vilken effekt du tar ut. Prof. Birke använde begreppet ’from paper to pack’ och det säger rätt bara vad som avses – dvs. från teoretiska värden till praktiskt användbara data för fordonsdesign. För bly-syrabatterier är det ungefär en faktor 6 från ’paper to pack’ och för Li-jon är denna faktor 4. Största förbättringspotentialen är från ’cell to pack’.
Förhållandet energi per vikt (dvs. Wh/kg) är det som diskuteras, men det avgörande är oftast Wh/L. Grovt räknat har Li-jonbatterier dubbelt så mycket energi per viktsenhet jämfört med volymsenhet. Post-Li-teknikerna Li-svavel och Li-syre har ungefär samma energi för både vikt och volym. Avgörande för BEV är volumetrisk energitäthet och laddningsmottagligheten – både Li-svavel och Li-syre har stora problem med detta.
Att gå från ’paper to pack’ enligt Prof. Birkes modell är vägen framåt för fordonsbatterier förbättrade Li-jonbatterier med högre spänning, Si-anoder och ’solid state’-tekniker. Andra tekniker har problem med effekt och detta kommer inte att kunna lösas inom en överskådlig framtid.
Åldring
Som alltid när batterier för xEV diskuteras så hamnar man snabbt kring livslängdsproblematiken. Så även på konferensen. Tyskland har tagit ett rejält steg för att öka förståelsen genom att inrätta en professur i ’livslängd’ i Aachen.
Testmetoder, post-mortemanalys, packdesign, styrstrategier, modellutveckling, SOC- och SOH-algoritmer – allt fanns. Att tillförlitligt kunna ’mäta’ SOH är den bakomliggande knäckfrågan. Hur man ska identifiera förluster belystes från olika synvinklar i många föredragen och på väldigt många postrar. Något som indikerar hur komplex åldringsproblematiken är.
Slutsatserna om åldring tål att upprepas:
- store cold, operate warm
- smal cycle depth within SOC range
- minimum time at high SOC
Egna kommentarer
Om jag ska plocka ut ett föredrag som var mest avgörande för fordonsindustrin var det om teoretiska och användbara energier – detta bör vara det centrala och något som jag sällan ser varken från forskare eller från företag.
Det jag saknade var hållbarhetsaspekten och råvarutillgångar. Ett föredrag om LCA-studier och en jämförelse mellan Li-jon och Na-jon var nog allt.
Cellproduktion och säkerhet behandlades givetvis. Vi återkommer till dessa frågor inom kort.
Som jag rapporterat de senaste två åren – detta är en konferens som fler bör vara på.
Flera av de svenska forskningsprojekt som bedrivs håller mycket hög klass och borde vara av intresse att diskutera – bidrar man med en poster vid konferensen sänks anmälningsavgiften avsevärt…
Hoppas att du följer med till Aachen sista veckan av mars nästa år. Kanske kan ett posterpris på 750 Euro locka?