Kommentar till nyhet om flödesbatterier till bilar

Många drömmer om att tanka en elbil på samma sätt som vi idag tankar våra bilar – att åka till macken och fylla på. Vad man fyller på med är nog mindre intressant, bara det går fort, i alla fall tiden vi är på macken…
Under den senaste veckan har ett antal nyheter florerat på sociala medier om att detta nog kan bli verklighet – flödesbatterier. Att på macken kunna tanka batteriet med ny elektrolyt. Generellt har flödesbatterierna nackdelen att de inte laddas via eluttaget och gör dessutom hemmaladdning i princip omöjligt.
Vi tittar lite närmare på vad som egentligen har hänt och försöker förklara.
Bakgrunden till nyheten – en artikel i Nature Chemistry
Ett forskarteam vid University of Glasgow har använt ett salt (Li6[P2W18O62]) som kan avge upp till 18 elektroner per enhet. Saltet löses i vatten och kan även fungera som vätgasgenerator genom elektrolys. Den dubbla funktionen kallas av forskarna ”battolysers”. Studien har nyligen publicerats i Nature Chemistry [1].
För att cellen som de utvecklat ska fungera krävs ett lågt pH och att saltkoncentrationen optimeras. Cellspänningen varierar mellan 1,65 V och 0 V, och med en nominell spänning på 1,25 V. Som vätgasgenerator skulle materialet kunna ge 3500 mol H2 per gram platina. Dock kan saltlösningen spontant generera vätgas, något som inte är optimalt för flödesbatteriet. Säkerhetsrisk?
I laboratoriet har teamet visat att de kan få celler med 96% verkningsgrad (Coulombisk effektivitet) om strömmen är mycket låg. Det skulle ge en energitäthet på 43 Wh/L. Om saltkoncentrationen ökas och en högre ström används ökar energitätheten till 225 Wh/L, men då med bara 76% verkningsgrad. Den maximala energitätheten är 1000 Wh/L, vilket kräver en fungerande cell vid saltets maximala löslighetsgräns. Hur denna koncentration påverkar vilken ström som kan användas framgår inte…
En energitäthet på 225 Wh/L är faktiskt inget att hurra speciellt mycket för, det hade 18650-celler av NCA-typ redan för över 25 år sen, 1992 (dvs. den kemi som finns i Teslas/Panasonics celler). Det finns kommersiella celler idag med betydligt högre energitäthet: Panasonics ’Teslaceller’ har idag över 800 Wh/L, LG Chem har stora celler på 475 Wh/L och snart >550 Wh/L celler tillgängliga.
Vad är ett flödesbatteri?
Ett flödesbatteri (på engelska ofta ’redox-flow battery’) är en typ av elektrokemisk cell där energin finns lagrad i två elektrolyter (en för anod och en för katod) och där dessa via ett membran reagerar med varandra och genererar ström. Elektrolyterna lagras i tankar utanför cellen och pumpas runt när cellen ska användas. Konceptet liknar till mångt och mycket en bränslecell, den centrala delen är en energiomvandlare och inte ett energilager i sig.
Generellt har flödesbatterier låg energitäthet: både tunga och skrymmande. Därför är de flesta applikationerna stationär lagring, t.ex. lagring av solenergi i Australien. Andra begränsningar har varit att de mest attraktiva koncepten baseras på vanadin: en giftig metall som man vill undvika både för människor, djur och natur. Vidare är cellspänningen oftast låg då elektrolyterna är vattenbaserade, så även konceptet från Glasgow.
Precis som för bränsleceller är membranet mycket centralt i ett flödesbatteri. I artikeln från Glasgow-teamet framgår det inte något om membranet och vad som krävs.
Hur stor blir tanken i en bil? Allt från 150 till 890 liter…
Om vi räknar lite på detta så skulle bara elektrolyttanken till en personbil bli runt 150-200 liter, om nu batteriet fungerar med högst möjliga saltkoncentration. Med den koncentration forskarna nu redovisar (och som ger 225 Wh/L) blir tankstorleken 670-890 liter. Vi har utgått från en personbil som drar 15-20 kWh/100km. Som jämförelse är ett Tesla-batteri på 100 kWh runt 350 liter.
Till detta kommer pumpar och annan kringutrustning. Det som inte framgår från artikeln är hur stor själva cellen kan tänkas bli eller måste vara. Då varje cell har en nominell spänning på ca. 1,2 V behövs runt 200-250 celler för att nå en vettig systemspänning på fordonsnivå. Sedan tillkommer frågan hur många parallella celler som behövs för att klara effektbehoven. En fördel är att cellen kan laddas ur till 0 V, vilket underlättar lagerhållning och logistik.
Hur tankar man elektrolyt?
En aspekt som inte framgår från artikeln (den rör ju egentligen bara kemiska frågeställningar) eller andra diskussioner när det kommer till flödesbatterier och fordon är själva tankningen. Att fylla på med ny elektrolyt är det som är tanken(!), men vad händer med den gamla? Hur ’slangar man’ ur den? Var tar den vägen? Osv, osv. Har du kunskap får du gärna höra av dig till redaktionen.
Egna kommentarer
Som alltid när det gäller nyheter om enskilda batterimaterial så måste man vara på sin vakt: vad är det som inte står? Det blandas och ges. Det är intressant att inga vikter anges i artikeln; energi anges bara per volymenhet. Wh/kg nämns inte. Blir batteriet väldigt tungt?
Vilken kringutrustning krävs? Att det behövs en pump är uppenbart, men konceptet verkar kräva 20 °C. Behövs värmesystem för att vattenlösningarna inte ska frysa? Hur är det med högre temperaturer? Från bränslecellsutvecklingen vet vi att mycket forskning kretsat kring just temperaturkänslighet hos membranet, speciellt vid låga temperaturer. Hur blir detta i konceptet som nu presenterades? Innan vi kan säga att det i framtiden kan vara av intresse för fordon bör vi kunna få en känsla för den totala installationen.
Konceptet är långt ifrån redo att ens vara av intresse för fordon, åtminstone 10 år torde krävas. Därför är det för tidigt att räkna på vad kostnaden eller livslängden skulle bli. Så helt rätt att detta inte finns med i artikeln. Det de visar nu är cykling av en labb-cell, 100 cykler. Finns det miljökonsekvenser att beakta? Korrosion av tanken och eventuella läckage? Säkerhetsrisker vid tankning?
Varför blir då artikeln en nyhet? Detta är för mig den största frågan. Kan det vara så att teamet bakom artikeln kommit i skymundan av Faraday Challenge, som vi skrev om i våras, och nu vill ha finansiering till sin forskning???
Ja, som ni förstår är frågorna fler än svaren. Dock är det bra att följa vad som händer inom flödesbatterier i stort.
[1] Highly reduced and protonated aqueous solutions of [P2W18O62]6− for on-demand hydrogen generation and energy storage, Nature Chemistry, 13 August, 2018. länk