Cellekjemi og deler
Battericellerne er den vigtigste del af batterisystemet og den vigtigste faktor for både omkostninger og ydeevne på elbiler.
Anode
Anoden er en af de to elektroder i et elektrisk køretøj (EV) batteri, den anden er katoden. Anoden er den elektrode, hvor der sker oxidation under batteriets afladningscyklus, hvorved elektroner frigives til det eksterne kredsløb for at drive enheden eller køretøjet. Under opladningscyklussen er anoden det sted, hvor reduktionen sker, idet den absorberer elektroner fra det eksterne kredsløb og lagrer energi i batteriet.
I et lithium-ion-batteri er anoden typisk lavet af grafit, som har en lagdelt struktur, der tillader lithium-ioner at indskyde eller indsætte mellem lagene. Når batteriet aflades, bevæger lithiumioner sig fra anoden til katoden gennem elektrolytten, mens elektroner strømmer gennem det eksterne kredsløb for at drive enheden. Under opladningscyklussen sker den omvendte proces, hvor lithiumioner bevæger sig fra katoden tilbage til anoden, hvor de opbevares.
Anodens ydeevne er en kritisk faktor i den samlede ydeevne og sikkerhed for et EV-batteri. Et anodemateriale af høj kvalitet bør have høj lithium-ion-lagringskapacitet, god ledningsevne, god strukturel stabilitet og være modstandsdygtig over for nedbrydning over flere opladnings- og afladningscyklusser. Den grafitanode, der bruges i de fleste lithium-ion-batterier, opfylder disse krav, men forskere udforsker også andre anodematerialer såsom silicium, som har en meget højere lagerkapacitet, men er mere tilbøjelig til at blive nedbrudt.
Nogle virksomheder som StoreDot arbejder på anoder baseret på [Silicon](https://www.store-dot.com/blog/silicon-dominant-anodes-pave-the-way-for-future-li-ion-ev- batterier). Dette kunne teoretisk set se energitætheden på celleniveau næsten fordobles, hvilket giver indlysende fordele for elbiler. Ud over dette kan Si-anoder også forbedre tiltrækningen af lavere energiceller, såsom LFP, reducere afstanden til NMC-baserede celler og minimere kerneulempen ved LFP - begrænset energitæthed - især i EV-applikationer. Estimater viser, at inkorporering af 20 procent Si i en anode kan forbedre en LFP-celles energitæthed med 17 procent – selvom de ekstra omkostninger ved Si-anoden kan være uoverkommelige.
Katode
Katoden er den elektrode, hvor der sker reduktion under batteriets afladningscyklus, idet den accepterer elektroner fra det eksterne kredsløb for at drive enheden eller køretøjet. Under opladningscyklussen er katoden det sted, hvor oxidation finder sted, frigiver elektroner til det eksterne kredsløb og lagrer energi i batteriet.
I et lithium-ion batteri er katoden typisk lavet af et metaloxid, såsom lithium cobalt oxide (LCO), lithium nikkel cobalt manganese oxide (NMC) eller lithium iron phosphate (LFP). Valget af katodemateriale kan have en væsentlig indflydelse på batteriets ydeevne, sikkerhed og omkostninger.
Lithium nikkel mangan cobalt oxider (NMC)
NMC-katoder er et populært valg til EV-batterier på grund af deres høje energitæthed og gode termiske stabilitet. De tilbyder en balance mellem energitæthed og effekttæthed, hvilket gør dem velegnede til en lang række EV-applikationer.
Der er forskellige versioner af NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) katoder, der bruges i elektriske køretøjer (EV) batterier. Sammensætningen og forholdet mellem de metaller, der anvendes i katoden, kan variere, hvilket resulterer i forskellige egenskaber og ydeevnekarakteristika.
De mest almindelige NMC-katoder, der bruges i EV-batterier, er NMC111, NMC532 og NMC622, som refererer til forholdet mellem nikkel, mangan og kobolt i katoden. For eksempel indeholder NMC111 en del nikkel, en del mangan og en del kobolt, mens NMC523 indeholder fem dele nikkel, tre dele mangan og to dele kobolt. Jo højere nikkelindhold, jo højere energitæthed af katoden, men også jo højere omkostninger.
For nylig har der været udviklinger inden for NMC katodeteknologi, der bruger endnu højere nikkelindhold, såsom NMC811 (otte dele nikkel, en del mangan og en del kobolt) og NMC622. Disse katoder tilbyder endnu højere energitæthed, men kan også have nogle udfordringer relateret til termisk stabilitet og cykluslevetid. NCM9 er den seneste udvikling, hvor nikkel udgør 90 % af indholdet.
Ud over metalforholdene kan katodematerialets partikelstørrelse og morfologi også påvirke ydeevnen. For eksempel kan mindre partikelstørrelser forbedre batteriets hastighedskapacitet og strømtæthed, mens større partikler kan forbedre energitætheden.
Samlet set afhænger valget af NMC katodesammensætning og morfologi af de specifikke krav til EV-batteriet, herunder energitæthed, effekttæthed, termisk stabilitet, holdbarhed og omkostninger. Batteriproducenter forsker og udvikler konstant nye NMC-katodematerialer for at forbedre ydeevnen og effektiviteten af EV-batterier.
Lithium-nikkel-kobolt-aluminiumoxid (NCA)
NCA-katoder har høj energitæthed og bruges i EV-batterier, især i Teslas køretøjer. NCA katoder tilbyder høj energitæthed og god ydeevne, hvilket gør dem til et populært valg for mange elbilproducenter.
Sammensætningen af NCA-katoder omfatter normalt nikkel, kobolt, aluminium og oxygen. Det nøjagtige forhold mellem disse elementer kan variere afhængigt af den specifikke brug og kravene til batteriet. NCA-katoder tilbyder en høj energitæthed, hvilket betyder, at de kan lagre mere energi pr. vægt- eller volumenhed sammenlignet med andre katodematerialer. Dette resulterer i en længere rækkevidde for elbiler udstyret med NCA-batterier.
NCA-katoder har også en god effekttæthed, hvilket betyder, at de kan levere høj effekt, når det er nødvendigt, for eksempel under acceleration eller regenerativ bremsning. NCA-batterier har også en lang levetid, hvilket betyder, at de kan modstå mange op- og afladningscyklusser uden væsentlig nedbrydning, hvilket gør dem til en pålidelig og holdbar mulighed for EV-applikationer.
Imidlertid kan NCA-katoder være følsomme over for høje temperaturer, hvilket kan forårsage termisk nedbrydning og reducere levetiden. For at løse dette bruger el-bilproducenter ofte sofistikerede termiske batteristyringssystemer til at holde batteriets temperatur inden for et sikkert driftsområde.
Samlet set tilbyder NCA-katoder en god balance mellem energitæthed og effekttæthed, hvilket gør dem til et populært valg til elbiler, der kræver høj ydeevne og lang rækkevidde. Men deres følsomhed over for høje temperaturer betyder, at de kræver omhyggelig termisk styring for at opretholde ydeevne og levetid.
Lithiumjernfosfatbatteri (LFP)
Lithium jern (ferro) fosfat (LFP) er et katodemateriale, der almindeligvis anvendes i batterier til elektriske køretøjer (EV) på grund af dets høje termiske stabilitet og lange levetid. LFP-katoder har en lavere energitæthed sammenlignet med nogle andre katodetyper, men de tilbyder god sikkerhed, holdbarhed og omkostningseffektivitet.
Sammensætningen af LFP-katoder består af lithiumjernfosfat (LiFePO4), som er et relativt stabilt og ikke-giftigt materiale sammenlignet med andre lithium-ion batterikemier. Dette gør LFP-katoder til et populært valg til EV-batterier i Kina, hvor sikkerhedsbestemmelserne er strenge.
Mærker som Tesla er begyndt at bruge LFP i deres lavere modeller.
Fordeler med LFP
En av hovedfordelene med LFP-katoder er deres høye termiske stabilitet, noe som gjør dem mindre utsatt for termisk løping og overoppheting sammenlignet med andre katodetyper. Dette er fordi den kjemiske bindingen mellom jern, oksygen og fosfor i katodestrukturen er sterkere enn andre katodematerialer. Som et resultat kan LFP-batterier drives ved høye temperaturer uten behov for aktive kjølesystemer, noe som reduserer kompleksiteten og kostnadene til batteripakken.
En annen fordel med LFP-katoder er deres lange sykluslevetid, noe som betyr at de tåler mange ladnings-utladingssykluser uten betydelig forringelse. Dette gjør LFP-batterier til et godt valg for applikasjoner som krever lang levetid og høy pålitelighet, for eksempel elbiler og energilagringssystemer.
Kostnaden er lavere enn nikkelbasert kjemi. Typisk ca 20 % mindre for hver kWh.
Ulemper
LFP-katoder har en lavere energitetthet sammenlignet med noen andre katodetyper, noe som betyr at de har lavere kapasitet til å lagre energi per vekt- eller volumenhet. Dette gjør dem mindre egnet for elbiler som krever høy rekkevidde og energitetthet.
LFP-batteriytelsen i kaldt vær er dårligere enn andre litium-ion-batterier, for eksempel NCA/NMC-batterier. Kalde temperaturer bremser de kjemiske reaksjonene inne i batteriene, og reduserer utladningskapasiteten og ladehastigheten.
LFP-batterier lader langsommere i kaldt vær enn NCA/NMC-batterier og rekkevidden reduseres noe mer enn NCA-batterier i kaldt vær. Imidlertid kan LFP-batterier fortsatt fungere trygt og pålitelig i temperaturer fra -20°C til 60°C (-4°F til 140°F).
Litiummanganjernfosfat (LMFP)
LMFP-batterikjemi er en type litiumionbatterikjemi som bruker litiummanganjernfosfat (LiMn x Fe 1−x PO 4 ) som katodemateriale og en grafittisk karbonelektrode med en metallisk bakside som anode. LMFP-batterikjemi kombinerer den høye sikkerheten til litiumjernfosfat (LFP) og den høye energitettheten til litiummanganfosfat (LMP). LMFP-batterikjemi er et lovende katodemateriale for høyytelses litiumionbatterier, spesielt for elektriske kjøretøy.
Noen av fordelene med LMFP-batterikjemi er:
- Høy termisk stabilitet og lav risiko for termisk løping
- Høy effekttetthet og rask ladeevne
- Høy sykluslevetid og god hastighetsytelse
- Lave kostnader og miljøvennlighet
- Høyspentplattform og forbedret spesifikk kapasitet
Noen av utfordringene med LMFP-batterikjemi er:
- Lav elektronisk ledningsevne og litiumionediffusjonskoeffisient
- Faseovergang og gitterforvrengning under sykling
- Manganoppløsning ved høye temperaturer
- Elektrolyttkompatibilitet og grensesnittstabilitet
Resumé Katodematerialer
Tabellen nedenfor opsummerer forskellene
| # | NCA | NMC | LFP |
|---|---|---|---|
| Gravimetric density | 240-272 Wh/kg | 200-272 Wh/kg | 90-120Wh/kg |
| Volummetric density | 580-720 Wh/l | 500 - 620 Wh/l | 220-300 Wh/l |
| Cycles | 500-1000 | 1000-2000 | 2000 - 5000 |
En separator er en vigtig komponent i et elektrisk køretøj (EV) batteri, der er placeret mellem katoden og anoden for at forhindre dem i at røre og forårsage en kortslutning. Separatoren er typisk en tynd, porøs membran lavet af et polymermateriale, der tillader strømmen af lithiumioner mellem katoden og anoden, samtidig med at den forhindrer strømmen af elektroner.
Separatoren tjener flere vigtige funktioner i et EV-batteri. For det første giver det en fysisk barriere mellem katoden og anoden, der forhindrer dem i at komme i direkte kontakt og forårsage en kortslutning. For det andet tillader det strømmen af lithium-ioner, som er nødvendige for at batteriet kan fungere. For det tredje hjælper det med at opretholde ensartetheden af batteriets indre struktur ved at forhindre dannelsen af dendritter, som er bittesmå, nålelignende strukturer, der kan vokse fra anoden og punktere separatoren, hvilket fører til en kortslutning.
Valget af separatormateriale kan have en væsentlig indflydelse på batteriets ydeevne og sikkerhed. Et godt separatormateriale bør have høj ionisk ledningsevne, lav elektrisk ledningsevne og god termisk stabilitet. Det skal også være i stand til at modstå belastningerne fra gentagne ladnings- og afladningscyklusser uden forringelse og være modstandsdygtigt over for termisk og kemisk nedbrydning.
Der er flere typer separatormaterialer, der bruges i EV-batterier, herunder polyethylen (PE), polypropylen (PP) og keramiske materialer såsom lithium aluminium titanium phosphat (LATP). Hver type separator har sine egne unikke fordele og ulemper, og valget af separatormateriale afhænger af batteriets specifikke krav.
Sammenfattende er separatoren en kritisk komponent i et EV-batteri, der hjælper med at forhindre kortslutninger og opretholder ensartetheden af batteriets interne struktur, samtidig med at den tillader strømmen af lithium-ioner, der er nødvendig for at batteriet kan fungere.
Elektrolyt
Flydende elektrolytter i lithium-ion-batterier består af lithiumsalte i et organisk opløsningsmiddel, såsom ethylencarbonat, dimethylcarbonat og diethylcarbonat.
En flydende elektrolyt fungerer som en ledende bane for bevægelsen af kationer, der går fra de negative til de positive elektroder under afladning og den modsatte retning under opladning.
Elektrolytter baseret på faste materialer er områder, som mange mennesker arbejder på. Disse kaldes solid-state-batterier.
Solid-state batterier har mange potentielle fordele, såsom højere energitæthed, hurtigere opladning, længere levetid og bedre sikkerhed. Men de står også over for mange udfordringer, såsom høje omkostninger, lav strømtæthed, dårlig grænsefladestabilitet og vanskelig skalerbarhed.
Semi-solid state batterier er en hybrid type batteri, der kombinerer faste og flydende elektrolytter. De sigter mod at overvinde nogle af ulemperne ved solid state-batterier, såsom lavt kontaktareal og langsom produktion. Semi solid state-batterier har højere ionisk ledningsevne, lavere intern modstand og bedre kompatibilitet med lithiummetal end traditionelle batterier. Men de har også lavere energitæthed, højere vægt og mere kompleksitet end solid-state batterier. Indtil videre har kun Nio annonceret en semi-solid state-pakke, der vil være tilgængelig i Kina i løbet af 2024.
Quasi solid state batterier er en anden hybrid type batteri, der bruger en gel-lignende elektrolyt i stedet for en flydende eller fast. De har lignende egenskaber som semi solid state batterier, men med mere fleksibilitet og viskositet. Quasi solid state-batterier kan også danne et beskyttende lag på overfladen af lithiummetal, hvilket forbedrer batteriets cykelydelse og sikkerhed. Men de lider også af lav ionisk ledningsevne, høj polarisering og dårlig mekanisk styrke.
Strømaftageren
Strømaftageren er en komponent i en battericelle, der letter strømmen af elektrisk strøm mellem elektroden og det eksterne kredsløb. I de fleste battericeller er strømaftageren en tynd metalfolie placeret på hver side af elektrodematerialet.
I en lithium-ion battericelle er strømaftageren for eksempel normalt lavet af kobber eller aluminium og er belagt med et tyndt lag kulstof for at forbedre ledningsevnen og forhindre korrosion. Strømaftageren er typisk placeret på overfladen af elektrodematerialet, og når cellen oplades eller aflades, løber strømmen fra strømaftageren gennem elektrodematerialet og tilbage ud til det eksterne kredsløb.
Designet og materialerne, der bruges til strømaftageren, kan have en væsentlig indflydelse på battericellens ydeevne og holdbarhed. For eksempel kan en strømaftager med høj ledningsevne og lav modstand være med til at forbedre battericellens effektivitet, mens en strømaftager, der er udsat for korrosion, kan reducere cellens levetid.
Mest solgte elbiler globalt
Nedenfor finder du de 10 bedst sælgende EV-modeller i verden. Klik på navnet for fuld info.