Om EV-batteriers snabbladdningsmöjligheter
Skribent (gästinlägg)
2024-11-07
Av Leiting Zhang, Uppsala universitet
En av de vanligaste men mest förvirrande frågorna för elbilsägare är ”Hur lång tid tar det att ladda en elbil?” Även om den verkar till synes okomplicerad kräver frågan ett nyanserat svar på grund av de många faktorer som spelar in såsom batteristorlek, elektronisk konfiguration av elbilen och laddstationen samt omgivningen för batteriet.
År 2022 introducerade den kinesiska batteritillverkaren CATL sina Qilin-batterier, som stöder 4C snabbladdning och möjliggör en laddning på 10 minuter för att nå en 400 km räckvidd. Enligt 36kr (1) siktar nu CATL på att lansera ett 6C-laddningsbatteri senare i år, vilket skulle möjliggöra ännu snabbare laddning. Även i juni 2024 introducerade EVE Energy Omnicell 6C, ett batteri baserat på cylindriska celler med en räckvidd på 300 km efter 5 minuters laddning (2). Andra ledande batteritillverkare, som BYD, tros också utveckla 6C snabbladdningsteknik. Här beskriver ”C-värde” batteriernas laddningshastighet, där 6C hänvisar till en full laddning på 1/6 timme, dvs. 10 minuter.
Fördelar med snabbladdning
Snabbladdning dämpar ”räckviddsångest”, en vanlig oro bland EV-ägare. Medan fordon med förbränningsmotorer (ICE) vanligtvis kan köra cirka 640 km (400 miles) på en full tank, når högpresterande batteridrivna elbilar (BEV) med större batterikapacitet (100+ kWh) jämförbara räckvidder. Vissa modeller, som Zeeker 001, anger räckvidder på upp till 1000 km (600 miles) per laddning. Räckviddsångesten kvarstår dock, inte på grund av den totala räckvidden, utan på grund av bristen på laddningsstationer och den tid som krävs för att ladda. Medan förare av bilar med förbränningsmotorer tillbringar cirka fem minuter för att tanka, behöver EV-ägare vanligtvis minst 30 minuter för en 2C-laddning. Att öka laddningshastigheten till 6C skulle minska väntetiden till 10 minuter, dvs. jämförbart med en snabb tankning.
Fysiska gränser för snabbladdning
Kan vi ladda batterierna ännu snabbare? För att svara på den frågan måste vi tänka på de grundläggande fysikaliska gränserna för batteriladdningen. Den process som tar mest tid under laddning är för litiumjonen att ta sig, dvs. diffundera, från ena baksidan av en elektrod till den andra. En förenklad beräkning baserad på Ficks diffusionslag kan ge en uppskattning. Diffusionstiden t det tar för litiumjoner (Li+) att förflytta sig avståndet x approximeras av:
där x representerar diffusionsavståndet och D är diffusionskoefficienten. Om vi antar en katod, separator och anodtjocklek på 70 μm, 20 μm respektive 70 μm, samt en genomsnittlig tortuositet (krokighet i diffusionsbanan) på 4, uppgår diffusionslängden x till totalt 0,064 cm. Med en Li+ diffusionskoefficient D uppskattad till 5×10−6 cm2/s, är diffusionstiden ungefär 7 minuter—vilket antyder att en laddning på 6C faktiskt närmar sig den fysikaliska gränsen på vad som kan vara möjlig för litiumjonbatterier, även om vissa andra hastighetsbegränsande steg inte är beaktade i denna förenklade beräkning.
Tekniska utmaningar och möjliga lösningar
Trots att detta verkar lovande finns det naturligtvis fler begränsningar. Framförallt att litiumjonen diffunderar långsammare vid lägre temperaturer och ju mer batteriet åldrats. Litiumjonen ackumuleras vid höga C-värden och låga temperaturer på anodens yta istället för att diffundera, och där bilda skadliga dendriter som snabbar på batteriets åldring. Batteritillverkare utvecklar material och elektrolyter specifikt anpassade för snabbladdning, som CATLs Freevoy hybridbatteri, som kombinerar litiumjon- och natriumjonceller för förbättrad prestanda vid låga temperaturer (3).
Termisk hantering är en annan avgörande faktor, eftersom snabbladdning kan generera betydande värme. Enligt Joules lag (P=I^2R) är värmeproduktionen P proportionell mot kvadraten av strömmen I, vilket gör effektiv kylning avgörande vid 6C-laddningshastigheter. Traditionell luftkylning är oftast otillräcklig på grund av luftens låga värmeledningsförmåga och värmelagringkapacitet, vilket kräver flytande (immersions-) kylsystem. Exempel på detta är BYDs direkta kyl- och värmesystem och CATLs multifunktionella elastiska kylskikt, som är designade för att bibehålla optimala batteritemperaturer under höga laddningsströmmar (4).
Infrastrukturen utgör också en flaskhals. För närvarande är tillgången till 6C-kompatibla laddningsstationer begränsad, och även 4C-infrastrukturen är ännu inte allmänt tillgänglig. Att ladda ett 100 kWh batteri vid 6C kräver cirka 600 kW. Om tio EV laddas samtidigt vid denna hastighet skulle det belasta elnätet med 6 MW, motsvarande behovet för en mindre fabrik. Att integrera 6C-laddning i stor skala skulle därmed kräva omfattande upprustning av elnätets infrastruktur, inklusive transformatorer, ställverk och distributionssystem (5). Samarbete mellan fordonstillverkare och elnätsägare kommer att vara avgörande för att möta dessa utmaningar.
Slutreflektioner
Utvecklingen av litiumjonbatterier har framförallt drivits på av över tre decennier av ingenjörsoptimering. Förutsatt att marknaden så önskar, så kommer utvecklingen av nya material, batterisystem och laddningsinfrastruktur göra att vi högst troligtvis kommer kunna snabbladda våra batterier på under 10 minuter.
Källor:
[1] https://kr-asia.com/catl-and-byd-lead-the-charge-in-developing-6c-batteries-for-evs
[3] https://www.batterydesign.net/catl-freevoy/
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590116819300116
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352467723001200