• Elbil batterier
• Grunnleggende om batteri
• Cellekjemi og deler
• Celle hus
• Batteripakke og konfigurasjon
• Batterihåndteringssystem
• Termisk styring
• Cellebalansering
• Lading
• Batteridegradering
• Buffer
• Produsenter
• Garanti

Cellekjemi og deler

Battericellene er den viktigste delen av batterisystemet og den viktigste faktoren både for kostnad og ytelse på elbiler.

Anode

Anoden er en av de to elektrodene i et elektrisk kjøretøy (EV) batteri, den andre er katoden. Anoden er elektroden der oksidasjon skjer under utladingssyklusen til batteriet, og frigjør elektroner til den eksterne kretsen for å drive enheten eller kjøretøyet. Under ladesyklusen er anoden der reduksjonen skjer, absorberer elektroner fra den eksterne kretsen og lagrer energi i batteriet.

I et litiumionbatteri er anoden typisk laget av grafitt, som har en lagdelt struktur som lar litiumioner interkalere, eller settes inn, mellom lagene. Når batteriet utlades, beveger litiumioner seg fra anoden til katoden gjennom elektrolytten, mens elektroner strømmer gjennom den eksterne kretsen for å drive enheten. Under ladesyklusen skjer den omvendte prosessen, med litiumioner som beveger seg fra katoden tilbake til anoden, hvor de lagres.

Ytelsen til anoden er en kritisk faktor i den generelle ytelsen og sikkerheten til et EV-batteri. Et anodemateriale av høy kvalitet bør ha høy litiumion-lagringskapasitet, god ledningsevne, god strukturell stabilitet og være motstandsdyktig mot nedbrytning over flere lade- og utladningssykluser. Grafittanoden som brukes i de fleste litium-ion-batterier oppfyller disse kravene, men forskere utforsker også andre anodematerialer som silisium, som har mye høyere lagringskapasitet, men som er mer utsatt for nedbrytning.

Noen selskaper som StoreDot jobber med anoder basert på [Silicon](https://www.store-dot.com/blog/silicon-dominant-anodes-pave-the-way-for-future-li-ion-ev- batterier). Dette kan teoretisk sett se at energitettheten på cellenivå nesten dobles, noe som gir åpenbare fordeler for elbiler. Utover dette kan Si-anoder også forbedre appellen til lavere energiceller, for eksempel LFP, redusere gapet til NMC-baserte celler og minimere kjerneulempen med LFP - begrenset energitetthet - spesielt i EV-applikasjoner. Estimater viser at å inkorporere 20 prosent Si i en anode kan forbedre en LFP-celles energitetthet med 17 prosent – selv om tilleggskostnadene for Si-anoden kan være uoverkommelige.

Katode

Katoden er elektroden der reduksjonen skjer under utladingssyklusen til batteriet, og aksepterer elektroner fra den eksterne kretsen for å drive enheten eller kjøretøyet. Under ladesyklusen er katoden der oksidasjon skjer, frigjør elektroner til den eksterne kretsen og lagrer energi i batteriet.

I et litiumionbatteri er katoden typisk laget av et metalloksid, for eksempel litiumkoboltoksid (LCO), litiumnikkelkoboltmanganoksid (NMC) eller litiumjernfosfat (LFP). Valget av katodemateriale kan ha en betydelig innvirkning på ytelsen, sikkerheten og kostnadene til batteriet.

Litiumnikkel mangan koboltoksider (NMC)

NMC-katoder er et populært valg for EV-batterier på grunn av deres høye energitetthet og gode termiske stabilitet. De tilbyr en balanse mellom energitetthet og effekttetthet, noe som gjør dem egnet for et bredt spekter av EV-applikasjoner.

Det finnes forskjellige versjoner av NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) katoder som brukes i elektriske kjøretøy (EV) batterier. Sammensetningen og forholdet mellom metallene som brukes i katoden kan variere, noe som resulterer i forskjellige egenskaper og ytelsesegenskaper.

De vanligste NMC-katodene som brukes i EV-batterier er NMC111, NMC532 og NMC622, som refererer til forholdet mellom nikkel, mangan og kobolt i katoden. For eksempel inneholder NMC111 en del nikkel, en del mangan og en del kobolt, mens NMC523 inneholder fem deler nikkel, tre deler mangan og to deler kobolt. Jo høyere nikkelinnhold, jo høyere energitetthet til katoden, men også jo høyere kostnad.

Nylig har det vært utviklinger innen NMC katodeteknologi som bruker enda høyere nikkelinnhold, slik som NMC811 (åtte deler nikkel, en del mangan og en del kobolt) og NMC622. Disse katodene tilbyr enda høyere energitetthet, men kan også ha noen utfordringer knyttet til termisk stabilitet og sykluslevetid. NCM9 er den siste utviklingen der nikkel utgjør 90 % av innholdet.

I tillegg til metallforholdene kan partikkelstørrelsen og morfologien til katodematerialet også påvirke ytelsen. For eksempel kan mindre partikkelstørrelser forbedre hastighetsevnen og strømtettheten til batteriet, mens større partikler kan forbedre energitettheten.

Samlet sett avhenger valget av NMC-katodesammensetning og morfologi av de spesifikke kravene til EV-batteriet, inkludert energitetthet, effekttetthet, termisk stabilitet, holdbarhet og kostnad. Batteriprodusenter undersøker og utvikler stadig nye NMC-katodematerialer for å forbedre ytelsen og effektiviteten til EV-batterier.

Litium-nikkel-kobolt-aluminiumoksider (NCA)

NCA-katoder har høy energitetthet og brukes i EV-batterier, spesielt i Teslas kjøretøy. NCA-katoder tilbyr høy energitetthet og god ytelse, noe som gjør dem til et populært valg for mange elbilprodusenter.

Sammensetningen av NCA-katoder inkluderer vanligvis nikkel, kobolt, aluminium og oksygen. Det nøyaktige forholdet mellom disse elementene kan variere avhengig av den spesifikke bruken og kravene til batteriet. NCA-katoder tilbyr en høy energitetthet, noe som betyr at de kan lagre mer energi per vekt- eller volumenhet sammenlignet med andre katodematerialer. Dette resulterer i lengre rekkevidde for elbiler utstyrt med NCA-batterier.

NCA-katoder har også god effekttetthet, noe som betyr at de kan levere høy effekt når det er nødvendig, for eksempel under akselerasjon eller regenerativ bremsing. NCA-batterier har også lang levetid, noe som betyr at de tåler mange lade- og utladingssykluser uten betydelig forringelse, noe som gjør dem til et pålitelig og holdbart alternativ for EV-applikasjoner.

Imidlertid kan NCA-katoder være følsomme for høye temperaturer, noe som kan forårsake termisk nedbrytning og redusere levetiden. For å løse dette bruker EV-produsenter ofte sofistikerte termiske batteristyringssystemer for å holde temperaturen på batteriet innenfor et sikkert driftsområde.

Totalt sett tilbyr NCA-katoder en god balanse mellom energitetthet og effekttetthet, noe som gjør dem til et populært valg for elbiler som krever høy ytelse og lang rekkevidde. Imidlertid betyr deres følsomhet for høye temperaturer at de krever nøye termisk styring for å opprettholde ytelsen og levetiden.

Litiumjernfosfatbatteri (LFP)

Lithium Iron (Ferro) Fosfat (LFP) er et katodemateriale som vanligvis brukes i batterier til elektriske kjøretøy (EV) på grunn av dets høye termiske stabilitet og lange levetid. LFP-katoder har lavere energitetthet sammenlignet med noen andre katodetyper, men de tilbyr god sikkerhet, holdbarhet og kostnadseffektivitet.

Sammensetningen av LFP-katoder består av litiumjernfosfat (LiFePO4), som er et relativt stabilt og ikke-giftig materiale sammenlignet med andre litiumionbatterikjemi. Dette gjør LFP-katoder til et populært valg for EV-batterier i Kina, hvor sikkerhetsforskriftene er strenge.

Merker som Tesla har begynt å bruke LFP i sine 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

Sammendrag Katodematerialer

Tabellen nedenfor oppsummerer forskjellene

Seperator

En separator er en viktig komponent i et elektrisk kjøretøy (EV) batteri som er plassert mellom katoden og anoden for å forhindre at de berører og forårsaker kortslutning. Separatoren er typisk en tynn, porøs membran laget av et polymermateriale som tillater flyt av litiumioner mellom katoden og anoden, samtidig som den forhindrer strømmen av elektroner.

Separatoren tjener flere viktige funksjoner i et EV-batteri. For det første gir det en fysisk barriere mellom katoden og anoden, og hindrer dem i å komme i direkte kontakt og forårsake kortslutning. For det andre tillater den flyten av litiumioner, som er nødvendige for at batteriet skal fungere. For det tredje bidrar det til å opprettholde ensartetheten til batteriets indre struktur ved å forhindre dannelsen av dendritter, som er bittesmå, nållignende strukturer som kan vokse fra anoden og punktere separatoren, noe som fører til kortslutning.

Valg av separatormateriale kan ha en betydelig innvirkning på ytelsen og sikkerheten til batteriet. Et godt separatormateriale bør ha høy ioneledningsevne, lav elektrisk ledningsevne og god termisk stabilitet. Den skal også være i stand til å motstå påkjenningene ved gjentatte ladnings- og utladningssykluser uten å forringes, og være motstandsdyktig mot termisk og kjemisk nedbrytning.

Det finnes flere typer separatormaterialer som brukes i EV-batterier, inkludert polyetylen (PE), polypropylen (PP) og keramiske materialer som litiumaluminiumtitanfosfat (LATP). Hver type separator har sine egne unike fordeler og ulemper, og valget av separatormateriale avhenger av de spesifikke kravene til batteriet.

Oppsummert er separatoren en kritisk komponent i et EV-batteri som bidrar til å forhindre kortslutninger og opprettholder ensartetheten til batteriets interne struktur, samtidig som den tillater flyten av litiumioner som er nødvendig for at batteriet skal fungere.

Elektrolytt

Flytende elektrolytter i litiumionbatterier består av litiumsalter i et organisk løsningsmiddel, slik som etylenkarbonat, dimetylkarbonat og dietylkarbonat.

En flytende elektrolytt fungerer som en ledende bane for bevegelse av kationer som går fra de negative til de positive elektrodene under utladning og motsatt retning ved lading.

Elektrolytter basert på faste materialer er områder som mange jobber med. Disse kalles solid-state-batterier.

Solid-state batterier har mange potensielle fordeler, som høyere energitetthet, raskere lading, lengre levetid og bedre sikkerhet. Imidlertid står de også overfor mange utfordringer, som høye kostnader, lav strømtetthet, dårlig grensesnittstabilitet og vanskelig skalerbarhet.

Semi-solid state batterier er en hybrid type batteri som kombinerer faste og flytende elektrolytter. De tar sikte på å overvinne noen av ulempene med solid state-batterier, for eksempel lavt kontaktområde og langsom produksjon. Semi solid state-batterier har høyere ionisk ledningsevne, lavere indre motstand og bedre kompatibilitet med litiummetall enn tradisjonelle batterier. Imidlertid har de også lavere energitetthet, høyere vekt og mer kompleksitet enn solid-state batterier. Foreløpig er det bare Nio som har annonsert en semi-solid state-pakke som vil være tilgjengelig i Kina i løpet av 2024.

Quasi solid state-batterier er en annen hybrid type batteri som bruker en gel-lignende elektrolytt i stedet for en flytende eller fast. De har lignende egenskaper som semi solid state-batterier, men med mer fleksibilitet og viskositet. Quasi solid state-batterier kan også danne et beskyttende lag på overflaten av litiummetall, noe som forbedrer sykkelytelsen og sikkerheten til batteriet. Imidlertid lider de også av lav ionisk ledningsevne, høy polarisering og dårlig mekanisk styrke.

Strømkollektoren

Strømkollektoren er en komponent i en battericelle som letter flyten av elektrisk strøm mellom elektroden og den eksterne kretsen. I de fleste battericeller er strømsamleren en tynn metallfolie som er plassert på hver side av elektrodematerialet.

I en litium-ion battericelle, for eksempel, er strømkollektoren vanligvis laget av kobber eller aluminium og er belagt med et tynt lag karbon for å forbedre ledningsevnen og forhindre korrosjon. Strømkollektoren er typisk plassert på overflaten av elektrodematerialet, og når cellen lades eller utlades, flyter strømmen fra strømkollektoren gjennom elektrodematerialet og tilbake ut til den eksterne kretsen.

Designet og materialene som brukes til strømkollektoren kan ha en betydelig innvirkning på ytelsen og holdbarheten til battericellen. For eksempel kan en strømavtager med høy ledningsevne og lav motstand bidra til å forbedre effektiviteten til battericellen, mens en strømavtager som er utsatt for korrosjon kan redusere levetiden til cellen.