Extreme fast-charging – sett från batteriet

Snabbladdare är något som fler och fler efterfrågar. Batterierna utsätts för höga strömmar och tyvärr klarar inte alla celler av detta. Ändå vill vi ladda med högre och högre effekt eller snabbare och snabbare – ’extreme fast charging’ – XFC – med laddströmmar över 5C. Höga laddströmmar är kända för att reducera verkningsgraden och orsaka kapacitetsförluster. Snabbladdning, och i synnerhet XFC, kräver insikt på atomär nivå såväl som optimerad packdesign och laddstrategier för att kunna förstå och förbättra prestandan hos batteriet.

omEV tittar i en serie nyhetsbrev lite närmare på XFC och ur olika synvinklar för ett elfordon. Först ut är hur batteriet påverkas baserat på forskningslitteraturen.

Kontinuerlig laddström på 5C eller mer – risken för Li-plätering ökar

Amerikanska Department of Energy (DOE) har identifierat XFC som en nyckel till att elbilar ska få fotfäste gent emot förbränningsmotorbilar. Idag har DOE ett mål att under 10-15 minuter fulladda celler med en energitäthet över 200 Wh/kg [1], vilket är de flesta celler på marknaden som är anpassade för BEV (red.anm.). Celler med lägre energitäthet kan klara XFC, men då på bekostnad av räckvidd och nästan en fördubbling av kostnaden per kWh [2]. Att snabbladda celler med hög energitäthet begränsas av snabb temperaturhöjning, risker att det aktiva materialet ska förstöras, samt risken för Li-plätering.

För all laddning ska både celler och batteripack vara designade för att klara de önskade strömmarna och för XFC blir det ännu mer kritiskt. Länge har energitätheten (Wh/kg eller Wh/L) varit drivande för att få så lång räckvidd på så liten volym som möjligt. Cellerna har designats med tjockare elektroder och med ’högenergimaterial’ för att få in mer kapacitet per ytenhet – mAh/cm2 är det mått som används. Och det är just detta som är ett av problemen med XFC – elektroderna kan inte vara allt för tjocka för att klara höga C-rates (dvs. minimera förlusterna). Laddhastigheten sett från batteriet anges i ’C-rate’: 1C, 2C osv. Strömmen som kan användas är avhängt kapaciteten (Ah) på cellen. Exempelvis motsvarar 1C för en cell på 60 Ah en ström på 60 A; vidare 2C motsvarar en ström på 120 A. Det är ofta skillnad på C-rate för laddning och urladdning, men även mellan kontinuerlig och kortvarig laddning.

Vanliga C-rates för laddning är 1-3C och vissa celler kan klara högre vid kortare pulser. När vi talar om XFC är det kontinuerliga C-rates på 5C eller mer. Detta skapar utmaningar på cellnivå så väl som för packdesign och kylning.

Celldesign – elektrolyten avgörande

Att förbättra möjligheterna med XFC kan göras på ett flertal sätt med att optimera cellerna: förbättrade elektrodmaterial som möjliggör snabbare litiumtransport och ökad elektrisk ledningsförmåga. Grafit som används i de allra flesta Li-jonceller är inte ett material som är direkt lämpat för höga C-rates om man vill förhindra Li-plätering. Kisel, som finns inblandat i grafiten, har samma problem. LTO-celler klarar i princip höga C-rates, men har en nackdel med en lägre cellspänning och resulterar i celler med lägre energitäthet. [3]

Men det finns även andra metoder som noggrann kontroll av morfologin hos de aktiva materialen, ytbeläggningar och förbättrade elektrolyter med högre ledningsförmåga. Genom en optimerad elektrodproduktion kan man få de aktiva materialen att arrangera sig så att ledningsförmågan ökar.

Ofta hittar vi celler med det aktiva materialet belagt med 3-5 mAh/cm2. Genom att tillverka celler med tunnare beläggningar har forskare sett att tjockleken är starkt avgörande för hur mycket laddning som går att ta emot. Celler med 1,5 mAh/cm2 tog emot nästan dubbelt så mycket som celler med 2,5 mAh/cm2 (71 % jmf. 36 %), men även så noterades ingen Li-plätering på de tunnare elektroderna [4]. Med hjälp av elektrokemiska modeller kunde man identifiera att det är elektrolytens ledningsförmåga som är avgörande för att få tillbaka kapaciteten vid XFC. Även katodmaterialet skapar problem då partiklarna lätt spricker och orsakar kapacitetsförluster [5].

Hur cellen är designad spelar även det roll. Tesla har presenterat sitt spår med ’tab-less design’ [6] och BYD jobbar med ’blade design’ [7] för att möjliggöra en jämnare strömfördelning över hela cellens area och därmed få en jämnare temperaturfördelning i cellen.

Packdesign – kyla och värme

All laddning skapar värmeförluster. Därför är det helt avgörande för XFC att ha ett välfungerande kylsystem som kan hantera temperaturvariationer inom batteripacket för att prestandan ska bli optimal utan att förorsaka att batteriet tar skada och livslängden förkortas. Temperaturfördelningen inom cellen måste även den vara så jämn som möjligt.

Utmaningar är förutom att hålla en så jämn temperatur är att även ha en design med snabb värmeavledning mellan cell och kylmedium. Givetvis får detta inte ta något extra utrymme…

Även ’värmesystemet’ måste fungera då det har visat sig laddningen blir effektivare och risken för Li-plätering minimeras om cellerna hålls vid en jämn och förhöjd temperatur, speciellt för celler med tjockare elektroder [4,8]. Genom att modifiera gränsskiktet elektrod-elektrolyt har Samsung visat att det går att nå hög laddningsverkningsgrad vid 5C av NMC811-celler om temperaturen är runt 60 °C [9].

Laddstrategier och säkerhetsaspekter lika viktiga

Ett annat område att jobba med för att anpassa ett batteripack till XFC är att utarbeta optimerade laddstrategier och därmed en innovativt BMU. Länge var det laddstrategier som bygger på ’CC-CV’ – constant current-constant voltage: upp till en viss spänning laddar man med konstant ström och sedan håller man en jämn spänning och låter strömmen sakteligen klinga av och vid en förutbestämd ström avbryts laddningen. Mer och mer har alternativa strategier tillämpats: ’konstant effekt-konstant spänning’ eller där laddningen sker med konstant ström men med olika styrka, pulsladdning, men även där en variabel strömprofil används baserad på olika modeller. [10] Hur laddstrategierna anpassas för en given situation kan vara avgörande för att minimera förlusterna vid XFC.

När det kommer till säkerhet finns en hel del att beakta. Robust packdesign när det kommer till cellbalansering, isolationsskydd, kablage, osv., men även felstatistik (mekaniska, elektriska eller termiska) och diagnostik kopplat till XFC. Ett sätt att öka laddhastigheten för en given ström är att öka spänningen. Därtill kommer nya styrstrategier, men även lagstiftning att beakta.

Egna kommentarer

Fundamentalt sett är all laddning begränsad av transporten av litium inne i celler: i elektroderna, i elektrolyten och i övergången mellan elektrod och elektrolyt, men även hur cellerna och packet är designade. Ur ett cellperspektiv verkar jontransporten i elektrolyten vara ett område att förbättra när det kommer till XFC. Dock får inte kostnaden eller säkerheten påverkas negativt.

Även andra elektrodmaterial kan vara av intresse för XFC jämfört med ’vanlig’ snabbladdning. Ett antal alternativ finns som LFP och LTO men det gäller att ha ett systemtänk. För samma antal celler i serie med LTO jämfört med NMC blir spänningen lägre och då måste man kompensera med fler celler för att nå den önskade systemspänningen. Alternativt måste en högre laddström användas, osv, osv…

Optimerade laddstrategier där kombinationer av olika strategier används känns som en given möjliggörare. Även att öka driftstemperaturen uppåt 60 °C kan underlätta, men kan påverka livslängden negativt med dagens Li-jonceller. Det krävs mer förståelse kring XFC och livslängd och koppla till hur cellen är designad.

Att ladda snabbt kan ju även innebära tvära inbromsningar i mycket höga hastigheter. Toyota visar upp ’brake-fast’, eller snarare breakfast… (länk)

[1] Electrochemical Energy Storage Technical Team Roadmap (länk)

[2] Understanding extreme fast charge limitations in carbonate mixtures (länk)

[3] Extreme Fast-Charging of Lithium-Ion Cells: Effect on Anode and Electrolyte (länk)

[4] Electrode scale and electrolyte transport effects on extreme fast charging of lithium-ion cells (länk)

[5] Correlating the influence of porosity, tortuosity, and mass loading on the energy density of LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 cathodes under extreme fast charging (XFC) conditions (länk)

[6] Will Panasonic Hit Roadblocks Producing Tesla’s Tabless Battery Cells? (länk)

[7] BYD reveals additional ‘Blade Battery’ specifications (länk)

[8] Enabling fast charging e Battery thermal considerations (länk)

[9] Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities (länk)

[10] Lithium-ion battery fast charging: A review (länk)