NiMH: nya Prius och tips på disputation

På LA Auto Show visar Toyota nu upp sin uppdaterade ’långkörare’ Prius. 2019 år modell är utseendemässigt en fräschare variant, men det främsta uppdateringen är en ny fyrhjulsdrift där bakhjulen drivs individuellt. Det som ändå sticker ut mest är att de fortsätter med NiMH-batterierna. Batteriet sitter under baksätet och sägs fungera bättre vid kalla väderförhållanden. Idag tittar vi närmare på Prius-batteriet, men först ett tips på en disputation om NiMH-batterier vid Stockholms Universitet. Du hinner dit innan Nobelfestligheterna drar igång… 

Disputation: Development of metal hydride surface structures for high power NiMH batteries – Lead to extended cycle-life and more effective recycling methods
Tid: 10 december, kl 13:00
Plats: Magnelisalen, Arrheniuslaboratoriet, Svante Arrhenius väg 16, Stockholms universitet
Respondent: Yang Shen 

Avhandlingen kretsar kring hur man kan öka livslängden och förbättra laddningsmottagligheten för NiMH-batterier. Yang Shen har studerat ytorna på elektroderna och utvecklat ett sätt att öka ytans reaktivitet hos metallhydridpartiklarna för att förbättra kinetiken under cykling. Genom en ökad förståelse av ytan fann man en process för att förlänga cykellivslängden, och som skapades genom kontrollerade, konsekutiva tillsatser av syre och vätgas till batteriet. Detta återställer elektrodbalansen och fyller på elektrolyten, vilka båda har förlorats på grund av MH-korrosion. 

Korrosion som förbrukar elektrolyt är den främsta orsaken till att NiMH-batteriet åldras. Med den föreslagna metoden visade sig korrosionen vara endast några procent per 1000 cykler, vilket ökar batteriets viktiga kWh-genomströmning, dvs. längre livslängd. För att få någon praktisk användning av gastillförseln bör cellerna vara sammankopplade med ett gemensamt gasutrymme för hela batteriet, vilket de flesta industriella NiMH batterier har. Som ett exempel delar cellerna i ett Prius-batteri utrymmet i grupper om fem. 

Även återanvändning/återvinning finns med. Ett sätt att visa på en ökad användning av materialen har gjorts genom att mekaniskt avlägsna korrosionsprodukterna, utan att skada det skyddande reaktionsskiktet, på MH-partiklarna. Nya batterier som gjorts av regenererade pulver var snabbare att aktivera och hade bättre egenskaper eftersom den aktiva ytan redan hade bildats i sitt tidigare liv. Att eliminera konventionell omsmältning och reduktion av använda batterilager, gör det till en mer effektiv återvinningsmetod. 

Projektet var finansierat av Energimyndigheten.

Här kan ni hitta hela avhandlingen. 

Den optimala batterilösningen för Prius?

Toyota lanserade Prius 1997 med en batterityp som sedan dess varit optimal för bilen. Batterierna är baserade på moduler på 7,2 V och med en kapacitet på 6,5 Ah. Varje modul väger lite drygt 1 kg. Första generationen NiMH-batteri tillverkade Toyota själva. Då var systemspänningen 288 V, uppdelat på 38 moduler och med en totalvikt på drygt 53 kg. 

När Prius lanserades i USA 2001 tillverkades batteriet av Panasonic EV Energy – ett JV som bildades redan 1996 mellan Toyota och Panasonic. Systemspänningen var då 274 V. Vid en uppdatering 2004 hade spänningen sänkts till 202 V samtidigt som batteriet optimerats väsentligt – 28 moduler och en vikt på 42 kg. Nuvarande systemspänning är på 144 V. 

Det spekulerades länge om varför Toyota höll kvar vid NiMH-batterier när de flesta i branschen pratade Li-jonbatterier. 2011 lanserade Toyota en PHEV-version av Prius och då med ett Li-jonbatteri på 4,4 kWh (jämfört med 1,3 kWh för HEV-versionen) och en vikt på 80 kg. Den användbara energin var i storleksordningen 2,7 kWh (ett SOC-fönster på ca. 25-85% kunde användas). När nästa generation PHEV kom 2016 var batteriet dubbelt så stort (8,8 kWh). 

I och med Prius-uppdateringen 2015 fanns båda batterityperna att välja, men NiMH var ’standard’. Li-jonbatterier användes i eco-varianten av Prius. Det var nog många som trodde att nästa HEV-version skulle bara baseras på Li-jonbatterier, men så blir det alltså inte.

Power-to-Energy ratio – en ökning för varje uppdatering

Batterier till elektriska fordon brukar designas med olika ’power-to-energy ratio’ beroende på vilken typ av elfordon. Lite grovt räknat kan man säga att ju högre förhållande desto mer optimerat för HEV och ju lägre desto mer anpassat för BEV. Både Tesla Model S och Nissan Leaf har ett förhållande runt 3, medan Prius har runt 30.

Varje uppdatering av NiMH-batteriet till Toyota Prius har gjorts med en ökning av ’power-to-energy ratio’. 1997 var förhållandet 14 och 2004 var det 29. Modulerna har varit identiska när det kommer till spänning och kapacitet (7,2 V och 6,5 Ah), men de har blivit mindre och lättare. Toyota/Panasonic har med förbättrade kemier, bättre förståelse för effektegenskaperna och hur man kan anpassa elektroddesignen kunnat göra denna väsentliga förbättring av ’power-to-energy ratio’. 

Egna kommentarer

För drygt tio år sedan hörde jag av Toyota att de skulle använda NiMH-batterier till åtminstone 2025. Antar att de då gjort tillräcklig vinst på sin investering. Och varför lägga ner massa resurser på att byta batteriteknologi om man har något som fungerar? 

NiMH-teknologin är långt ifrån uträknad – finns fortfarande förbättringar och optimering man kan göra. Det visar inte minst avhandlingen från Stockholms Universitet på. Jämfört med ett Li-jonbatteri är NiMH-batterier vanligtvis utrustade med ett ’spartanskt’ BMS/BMU. Med ett kraftigt förbättrat BMS skulle NiMH-batterier kunna konkurrera i många applikationer och man får en robustare användning av batteriet.

Vi önskar Yang Shen lycka till på Nobeldagen!