Serie om Tesla: A million mile battery
Helena Berg
2022-05-11
Under 2015 knöt Tesla den kanadensiske batteriforskaren Jeff Dahn till sig som rådgivare och sedan 2016 jobbar de tillsammans för att ta fram ’a million mile battery’ och enligt avtal jobbar de tillsammans åtminstone fram till och med 2026 [1,2]. Genom att förbättra elektrolyten kommer cellerna att ha kvar 95 procent av kapaciteten efter 1200 cykler (ca. 480.000 km) och kommer att kunna driva en bil över ”1 million miles” eller klara 20 år som energilager [3,4].
Tesla och forskarteamet menar att ett batteri med så lång livslängd för personbilar är inte enbart möjligt, utan helt nödvändigt [5]. För snart ett år sedan investerade Tesla drygt 3 MUSD i forskarteamet [6].
omEV summerar läget kring detta långlivade batteri som än inte nått massproduktion.
Hemliga additiver är lösningen
Under hösten 2020 ändrades dock retoriken kring cellerna – de skulle istället hålla 10.000 cykler. Minskade utmaningen? Knappast. 10.000 cykler motsvarar för Tesla runt två miljoner miles, eller runt 3,2 miljoner km [7]. Hur räknar Tesla? Om vi antar 350 km per cykel (SOC-fönster 0-100 %) blir det 3,5 miljoner km. Dock visar cellerna en mer eller mindre konstant kapacitet inom SOC-fönstret 0-80 % [8]. Och om man håller sig inom SOC-fönstret 50-80 % visar cellen knappt någon minskning i kapacitet.
Cellerna är ’traditionella’ Li-jonceller med en grafitanod och en NMC532-katod. Cellerna köps in ’torra’ från en kinesisk leverantör och forskarna tillsätter en egenutvecklad elektrolyt. Det speciella är ’additiver’ som adderats till elektrolyten. Detta är i sig inget nytt. Alla celltillverkare har massor av additiver i elektrolyten, men det är tydligen “special additives” som ska göra att cellerna håller. Enligt forskarna rör det sig om ca. fem viktsprocent av en tillsats till elektrolyten som minimerar sidoreaktioner mellan elektroderna och elektrolyten. [5]
Temperaturegenskaperna hos cellerna är viktiga för fordonsanvändning. De celler som klarar dryga 12.000 cykler vid rumstemperatur klarar bara 4000 cykler vid 40 °C (red. anm.: 1,4 miljoner km om hela kapaciteten utnyttjas) [4,5]. Hur dessa celler ska kylas i ett framtida fordon är än så länge oklart. Att Tesla söker efter hållbara lösningar noteras via patentansökningar. Tillsammans med forskarteamet i Kanada har patent sökts för bl.a. en elektrolyt med åtminstone två additiver: den ena är den vanligt förekommande vinylkarbonat (VC) som kombinerats med 1,2,6-oxodithian-2,2,6,6-tetraoxid och ska göra att cellerna håller längre och blir enklare och billigare att tillverka [4].
Ett annat patent rörande NMC-celler med en elektrolyt som består av additiven 3-metyl-1,4,2-dioxazol-5-one (MDO), 3-fenyl-1,4,2-dioxazol-5-one (PDO) och butylsulton (BS) [9]. Förhållandet mellan olika additiver och hur mixen ska göras är fortsatta forsknings- och utvecklingsfrågor. Patenten ser ut att gälla både NMC- så väl som NCA-celler [9].
Möjliggörare för V2G?
Många av cellerna som cyklats i labbet har cyklats vid 1C och passar då utmärkt för V2G-applikationer [5]. Tesla menar att målet med de nya cellerna är inte att köra ett fordon ’a million miles’, utan att det ska även kunna användas i V2G-applikationer, och att cellen är lämpad för just detta. Tidigare i vår skrev omEV en serie nyhetsbrev om V2G och dilemmat att optimera för batterilivslängd eller optimera elnätet. Teslas forskningsteam är inne på samma linje – ett batteri optimerat för framdrivning är inte tillräckligt för att även klara V2G. Med ett batteri som klarar 10.000 cykler skulle livslängden bli uppåt 25 år och i paritet med en solcellsanläggning [5].
Ny ’anod-fri’ cell under utveckling
Tesla och det kanadensiska forskarteamet nöjer sig inte med ’a million mile’-batteriet, utan forskning pågår även kring att ta fram ytterligare en cell. Det rör sig om en Li-joncell där anoden modifierats genom att grafiten pläteras med litium under cykling och skulle därmed öka energitätheten med 20 procent, enligt Teslas forskningsteam [10]. Även den vätskeformiga elektrolyten är optimerad där två olika salter finns för att optimera kapaciteten över tid. Grov sett kan man säga att detta är en anod-fri litium-metall-cell med vätskeformig elektrolyt. Prestandamässigt torde cellen ha en energitäthet på 360 Wh/kg och 1000 Wh/L [11].
Egna kommentarer
Att skräddarsy en battericell som passar för ens applikationer är något alla borde göra, men få har råd. Tesla har det. Fordon och energilager går hand i hand för Tesla. De har länge jobbat med en cell som är billig och utvecklar därefter. Vi ser både optimering i ett nytt cellformat – vilket egentligen bara är en matematisk optimering av energi- och effekttäthet – och i nya elektrolyter. Att de siktar in sig på elektrolyten är även det klokt – ska man få en cell som går att cykla länge är det samspelet elektrolyt-elektrod som oftast är den svaga länken.
Det är minst sagt en utmaning att utveckla en battericell som klarar detta rent kemiskt sett inne i cellen. Men det ställer även krav på andra delar i cellen så som höljet. Största utmaningen kanske ligger i att övriga komponenter i batteripacket och övriga fordonet ska klarar utmaningen. Kommer elektroniken hålla? Än har cellerna enbart testats i lab – vad händer i fordon? Ska bli intressant att följa.
[1] Tesla Partners With Battery Researcher to Lower Costs
[2] Tesla extends battery research with Jeff Dahn
[3] Tesla battery researcher unveils new chemistry to increase lifecycle at high voltage
[4] R&D break-through: Tesla battery making looks likely
[5] Battery researcher Jeff Dahn: Why the millionmile battery makes sense
[6] Tesla gives over $3 million to Canadian researchers to develop cheaper, longer-lasting battery cells
[7] Tesla researchers present battery with 2 million mile lifecycle
[8] Tesla battery researcher shows new test results pointing to batteries lasting over 2 million miles
[9] Tesla patents new battery cell chemistry
[11] Diagnosing and correcting anode-free cell failure via electrolyte and morphological analysis