International Battery Seminar & Exhibition del 2 – Presentationer från forskningsfinansiärer

skrivet av Johan Scheers (Volvo Cars)
Vehicle technologies office VTO (Brian Cunningham) är ett av fyra energilagringsprogram under U.S. Department of Energy (DOE). VTO har som huvudmål att främja batteriteknologier som möjliggör en massintroduktion av elfordon på marknaden.
DOE har satt ett kostnadsmål om 125 USD/kWh-användbar-energi (tolkas som packnivå) till 2022. Man sticker ut hakan med ett så aggressivt mål, men pekar på att tidigare mål har nåtts eller är på väg att nås (600 USD/kWh till 2012; 245 USD/kWh till 2016) och hänvisar till publikationen ”Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicle” av KTH-forskarna Nykvist & Nilsson.
Ökade volymer av Li-jonceller driver enligt VTO kostnaden allt närmare 200 USD/kWh, men för att nå målet om 125 USD/kWh krävs nya kemier. De aktiviteter som VTO stödjer för att nå det målet rymmer allt från utveckling av batterimaterial till batteritillverkning & processutveckling.
Med hjälp av kostnadsmodellen BATPACK från Argonne National Laboratory så har man uppskattat att en Li-joncell med Si-baserad anod i kombination med en högkapacitetskatod krävs för att nå det nya målet om 125 USD/kWh. Den inriktningen är fokus för VTO 2016-2022.
Med en litiummetallcell, som ses som ett betydligt mer riskfyllt mål, ser man möjligheter att nå 100 USD/kWh användbar energi. Uppskattningarna bygger på antaganden om att man löser de välkända problemen som finns med dessa kemier, att det inte finns några prestandabegränsningar, att en fördelaktig systemintegration sker och att man når höga produktionsvolymer.
VTO koordinerar sina aktiviteter mot framtida tekniker (bortom 2022) med de två DOE-programmen ARPA-E och Office of Science.
VTO visar tre höjdpunkter från projekt de finansierar om utvecklandet av nya katoder:
1) Argonne National Lab har demonstrerat 900 cykler till 80% kapacitet med celler designade för hög spänning (3.5-4.7V).
2) Forge nano som tagit fram en billig process att ytbelägga katoder med atomlagerdeposition (ALD) och demonstrerat 900 cykler till 80% kapacitet med en 2 Ah cell Grafit/ALD-NMC811 cell (3-4.35 V).
3) Silatronix som utvecklat ett kiselbaserat organiskt material som trots låga koncentrationer (2-5%)
hindrar nedbrytningen av LiPF6 och därmed tillåter högre arbetstemperatur och cellspänning.
VTO visar också tre höjdpunkter från finansierade projekt på anodsidan:
1) Amprius har tagit fram en 2 Ah cell som använder sig av nanotrådar av kisel som anod och har en energidensitet > 300 Wh/kg BOL (beginning-of-life). Cellen har genomgått 500 cykler till 80% kapacitet.
2) XG Sciences har utvecklat en anodkomposit med hög kapacitet (> 600 mAh/g) av grafen och kisel och demonstrerat 1000 cykler till 85% kapacitet med en laminerad 2 Ah cell.
3) CAM X Power har tagit fram 18650-celler med kiselbaserad anod och en ”CAM-7” katod som levererar > 200 Wh/kg och kan cyklas 1000 cykler till 85% kapacitet.
VTO anmärker att celler med kiselbaserade anoder kalenderåldras mycket snabbare än grafitbaserade Li-jonceller. Att förstå och hindra det fenomenet kommer att bli ett viktigt nästa steg i utvecklingen.
Advanced Research Projects Agency – Energy ARPA-E (Susan Babinec) initierades 2009 och är ett DOE-program som inriktar sig på radikala, transformativa teknologier. Projektfinansieringen som erbjuds är vanligtvis 2-5 miljoner USD över 3 år. Hittills har man finansierat 580 projekt med sammanlagt 1.6 miljarder USD.
ARPA-E finansierar projekt som riktar sig både mot transportsektorn och stationär energilagring. Kostnadsmålet är i båda fall 100 USD/kWh (packnivå) som är ett generellt DOE-mål för framtida teknologier bortom 2022 (se VTO ovan).
Exempel på ARPE-E finansierade företag/forskargrupper är:
1) Sila som har utvecklat rigida partiklar med 1 mikrometer diameter som kan hantera expansionen av kisel.
2) Polyplus som med en vattenbaserad elektrolyt klarar av att lösa stora mängder polysulfider i Li/S celler. Litiummetallen skyddas från vattenkontakt genom en ytbehandling.
3) 24M med utveckling av tjocka elektroder (450 mikrometer) som förenklar och drastiskt sänker kostnaden för cellproduktion.
4) Fu-Kuo Chang/Stanford som utvecklar multifunktionella elektroder och lastbärande battericeller.
5) Ion storage systems/University of Maryland som skyddar anoder av litiummetall mot dendritbildning genom ytbelägga dem med en tunn oxidfilm (garnet).
6) Feasible/Princeton som använder ultraljud för att skatta state-of-charge (SOC) och state-of-health (SOH). En metod som sägs vara okänslig för batterityp.
Diverse övriga presentationer
Bortsett från BYD så fanns endast ”mindre” celltillverkare på plats. Kinesiska Coslight som utvecklar laminerade Li-jonceller (2.5 GWh kapacitet 2016), amerikanska A123 som bygger en återvinningsanläggning för NMC i Kina, samt koreanska Orange Solutions som utvecklat ett nytt större cylindriskt cellformat som har ett hål i mitten för effektiv kylning.
Shanghai Energy New Material Technologies SEMCORP (Kelvin Wu) är en uppstickare på separatormarknaden med en produktionskapacitet om 300 miljoner m2 per år (2016 var den totala efterfrågan på marknaden 1300 miljoner m2). SEMCORP uppskattar den globala efterfrågan på separator till 6 miljarder m2 år 2020.
Företaget erbjuder separatorer tillverkade i en vattenbaserad process med en biaxiell sträckningsprocedur som möjliggör tunnare och starkare separatorer (i maskinriktning, tvärgående riktning och z-riktning) med bättre kontrollerade parametrar (porstorlek/struktur och porositet).
SEMCORP har en portfolio av separatorer med tjocklekar i intervallet 5-30 mikrometer som inkluderar keramiskt ytbehandlade separatorer för värme och krympningsskydd, polymerbehandlade separatorer för ökad vidhäftning till elektroder, samt multifunktionella separatorer (som kombinerar keramisk och polymerbehandling).
Cadenza Innovation (Christina Lampe-Önnerud) deklarerade att vi lever i ett paradigmskift. Det finns tre kritiska behov för utbredd spridning/implementering av batterier; 1) ett hållbart batteripris utan subventioner där 125 USD/kWh är den magiska siffran, 2) fullgod säkerhet som innebär att brand inte kan propagera mellan celler vid fel, samt 3) en hög prestanda om minst 300 Wh/l (för stora celler) eller 500 Wh/l för en riktig ”game-changer”.
Cadenza har utformat en plattform/modul för säker batteriintegrering. Tanken är att plattformen skall kunna rymma ”jellyrolls” (rulltårtor med aktivt material) från olika celltillverkare och på så sätt erbjuda en generisk, effektiv och säker förpackning. Demos och tidig kommersialisering är att vänta 2017-2018. En Fiat 500e med 96 Cadenzaceller på 35 kWh utgör ett fullt elektrifierat demofordon.
Referenser
[1] IBSE 2016
[2] OMEV IBSE 2016 #1
[3] OMEV IBSE 2016 #2