Cellkemi och delar
Battericellerna är den viktigaste delen av batterisystemet och den viktigaste faktorn för både kostnad och prestanda för elbilar.
Anod
Anoden är en av de två elektroderna i ett elfordonsbatteri (EV), den andra är katoden. Anoden är den elektrod där oxidation sker under batteriets urladdningscykel, och släpper ut elektroner till den externa kretsen för att driva enheten eller fordonet. Under laddningscykeln är anoden där reduktionen sker, absorberar elektroner från den externa kretsen och lagrar energi i batteriet.
I ett litiumjonbatteri är anoden vanligtvis gjord av grafit, som har en skiktad struktur som gör att litiumjoner kan interkaleras, eller infogas, mellan lagren. När batteriet laddas ur rör sig litiumjoner från anoden till katoden genom elektrolyten, medan elektroner strömmar genom den externa kretsen för att driva enheten. Under laddningscykeln sker den omvända processen, med litiumjoner som rör sig från katoden tillbaka till anoden, där de lagras.
Anodens prestanda är en kritisk faktor för den övergripande prestandan och säkerheten för ett EV-batteri. Ett anodmaterial av hög kvalitet bör ha hög lagringskapacitet för litiumjoner, god ledningsförmåga, god strukturell stabilitet och vara motståndskraftig mot nedbrytning under flera laddnings- och urladdningscykler. Grafitanoden som används i de flesta litiumjonbatterier uppfyller dessa krav, men forskare undersöker även andra anodmaterial som kisel, som har mycket högre lagringskapacitet men är mer benäget att brytas ned.
Vissa företag som StoreDot arbetar med anoder baserade på [Silicon](https://www.store-dot.com/blog/silicon-dominant-anodes-pave-the-way-for-future-li-ion-ev- batterier). Detta skulle teoretiskt sett kunna se energitätheten på cellnivå nästan fördubblas, vilket ger uppenbara fördelar för elbilar. Utöver detta kan Si-anoder också förbättra attraktionskraften hos lågenergiceller, såsom LFP, minska gapet till NMC-baserade celler och minimera kärnnackdelen med LFP - begränsad energitäthet - särskilt i EV-applikationer. Uppskattningar visar att inkorporering av 20 procent Si i en anod kan förbättra en LFP-cells energitäthet med 17 procent – även om den extra kostnaden för Si-anoden kan vara oöverkomlig.
Katod
Katoden är elektroden där reduktion sker under batteriets urladdningscykel, och tar emot elektroner från den externa kretsen för att driva enheten eller fordonet. Under laddningscykeln är katoden där oxidation sker, släpper ut elektroner till den externa kretsen och lagrar energi i batteriet.
I ett litiumjonbatteri är katoden vanligtvis gjord av en metalloxid, såsom litiumkoboltoxid (LCO), litiumnickelkoboltmanganoxid (NMC) eller litiumjärnfosfat (LFP). Valet av katodmaterial kan ha en betydande inverkan på batteriets prestanda, säkerhet och kostnad.
Litiumnickel mangan koboltoxider (NMC)
NMC-katoder är ett populärt val för EV-batterier på grund av deras höga energitäthet och goda termiska stabilitet. De erbjuder en balans mellan energitäthet och effekttäthet, vilket gör dem lämpliga för ett brett utbud av EV-applikationer.
Det finns olika versioner av NMC-katoder (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) som används i elfordonsbatterier (EV). Sammansättningen och förhållandet mellan metallerna som används i katoden kan variera, vilket resulterar i olika egenskaper och prestanda.
De vanligaste NMC-katoderna som används i EV-batterier är NMC111, NMC532 och NMC622, vilket hänvisar till förhållandet mellan nickel, mangan och kobolt i katoden. Till exempel innehåller NMC111 en del nickel, en del mangan och en del kobolt, medan NMC523 innehåller fem delar nickel, tre delar mangan och två delar kobolt. Ju högre nickelhalt, desto högre energitäthet för katoden, men också desto högre kostnad.
På senare tid har det skett en utveckling inom NMC-katodteknologi som använder ännu högre nickelhalter, såsom NMC811 (åtta delar nickel, en del mangan och en del kobolt) och NMC622. Dessa katoder erbjuder ännu högre energitäthet, men kan också ha vissa utmaningar relaterade till termisk stabilitet och livslängd. NCM9 är den senaste utvecklingen där nickel utgör 90 % av innehållet.
Förutom metallförhållandena kan partikelstorleken och morfologin hos katodmaterialet också påverka prestanda. Till exempel kan mindre partikelstorlekar förbättra hastighetskapaciteten och strömtätheten hos batteriet, medan större partiklar kan förbättra energitätheten.
Sammantaget beror valet av NMC-katodsammansättning och morfologi på de specifika kraven för EV-batteriet, inklusive energitäthet, effekttäthet, termisk stabilitet, hållbarhet och kostnad. Batteritillverkare forskar och utvecklar ständigt nya NMC-katodmaterial för att förbättra prestanda och effektivitet hos EV-batterier.
Litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA)
NCA-katoder har hög energitäthet och används i EV-batterier, speciellt i Teslas fordon. NCA-katoder erbjuder hög energitäthet och bra prestanda, vilket gör dem till ett populärt val för många elbilstillverkare.
Sammansättningen av NCA-katoder inkluderar vanligtvis nickel, kobolt, aluminium och syre. Det exakta förhållandet mellan dessa element kan variera beroende på den specifika användningen och kraven för batteriet. NCA-katoder erbjuder en hög energitäthet, vilket innebär att de kan lagra mer energi per vikt- eller volymenhet jämfört med andra katodmaterial. Detta resulterar i en längre räckvidd för elfordon utrustade med NCA-batterier.
NCA-katoder har också bra effekttäthet, vilket gör att de kan leverera hög effekt vid behov, till exempel vid acceleration eller regenerativ inbromsning. NCA-batterier har också en lång livslängd, vilket innebär att de tål många laddnings- och urladdningscykler utan betydande försämring, vilket gör dem till ett pålitligt och hållbart alternativ för EV-applikationer.
NCA-katoder kan dock vara känsliga för höga temperaturer, vilket kan orsaka termisk nedbrytning och minska livslängden. För att komma till rätta med detta använder elbilstillverkare ofta sofistikerade batterivärmehanteringssystem för att hålla batteriets temperatur inom ett säkert driftsområde.
Sammantaget erbjuder NCA-katoder en bra balans mellan energitäthet och effekttäthet, vilket gör dem till ett populärt val för elbilar som kräver hög prestanda och lång räckvidd. Men deras känslighet för höga temperaturer innebär att de kräver noggrann värmehantering för att bibehålla prestanda och livslängd.
Litiumjärnfosfatbatteri (LFP)
Litiumjärn (ferro) fosfat (LFP) är ett katodmaterial som vanligtvis används i elfordonsbatterier (EV) på grund av dess höga termiska stabilitet och långa livslängd. LFP-katoder har en lägre energitäthet jämfört med vissa andra katodtyper, men de erbjuder god säkerhet, hållbarhet och kostnadseffektivitet.
Sammansättningen av LFP-katoder består av litiumjärnfosfat (LiFePO4), vilket är ett relativt stabilt och giftfritt material jämfört med andra litiumjonbatterier. Detta gör LFP-katoder till ett populärt val för elbilsbatterier i Kina, där säkerhetsbestämmelserna är strikta.
Märken som Tesla har börjat använda LFP i sina lägre modeller.
Fördelar med LFP
En av de främsta fördelarna med LFP-katoder är deras höga termiska stabilitet, vilket gör dem mindre benägna för termisk rinnande och överhettning jämfört med andra katodtyper. Detta beror på att den kemiska bindningen mellan järn, syre och fosfor i katodstrukturen är starkare än andra katodmaterial. Som ett resultat kan LFP-batterier drivas vid höga temperaturer utan behov av aktiva kylsystem, vilket minskar komplexiteten och kostnaden för batteripaketet.
En annan fördel med LFP-katoder är deras långa livslängd, vilket innebär att de kan motstå många laddnings-urladdningscykler utan betydande försämring. Detta gör LFP-batterier till ett bra val för applikationer som kräver lång livslängd och hög tillförlitlighet, såsom elfordon och energilagringssystem.
Kostnaden är lägre än nickelbaserad kemi. Typiskt cirka 20 % mindre för varje kWh.
Nackdelar
LFP-katoder har en lägre energitäthet jämfört med vissa andra katodtyper, vilket innebär att de har en lägre kapacitet att lagra energi per vikt- eller volymenhet. Det gör dem mindre lämpliga för elbilar som kräver hög räckvidd och energitäthet.
LFP-batteriprestanda i kallt väder är sämre än andra litiumjonbatterier, som NCA/NMC-batterier. Kalla temperaturer bromsar de kemiska reaktionerna inuti batterierna, vilket minskar urladdningskapaciteten och laddningshastigheten.
LFP-batterier laddas långsammare i kallt väder än NCA/NMC-batterier och räckvidden minskar något mer än NCA-batterier i kallt väder. LFP-batterier kan dock fortfarande fungera säkert och tillförlitligt i temperaturer från -20°C till 60°C (-4°F till 140°F).
LMFP-batterikemi är en typ av litiumjonbatterikemi som använder litiummanganjärnfosfat (LiMn x Fe 1−x PO 4 ) som katodmaterial och en grafitisk kolelektrod med en metallisk baksida som anod. LMFP-batterikemi kombinerar den höga säkerheten hos litiumjärnfosfat (LFP) och den höga energitätheten hos litiummanganfosfat (LMP). LMFP-batterikemi är ett lovande katodmaterial för högpresterande litiumjonbatterier, speciellt för elfordon.
Några av fördelarna med LMFP-batterikemi är:
- Hög termisk stabilitet och låg risk för termisk rusning
- Hög effekttäthet och snabb laddningskapacitet
- Hög livslängd och bra hastighetsprestanda – Låga kostnader och miljövänlighet
- Högspänningsplattform och förbättrad specifik kapacitet
Några av utmaningarna med LMFP-batterikemi är:
- Låg elektronisk konduktivitet och litiumjondiffusionskoefficient
- Fasövergång och gitterförvrängning under cykling
- Manganupplösning vid höga temperaturer
- Elektrolytkompatibilitet och gränssnittsstabilitet
Sammanfattning Katodmaterial
Tabellen nedan sammanfattar skillnaderna
| # | 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 är en viktig komponent i ett elfordonsbatteri (EV) som placeras mellan katoden och anoden för att förhindra att de vidrör och orsakar kortslutning. Separatorn är vanligtvis ett tunt, poröst membran tillverkat av ett polymermaterial som tillåter flödet av litiumjoner mellan katoden och anoden, samtidigt som det förhindrar flödet av elektroner.
Separatorn fyller flera viktiga funktioner i ett EV-batteri. För det första ger det en fysisk barriär mellan katoden och anoden, vilket förhindrar dem från att komma i direkt kontakt och orsaka kortslutning. För det andra tillåter det flödet av litiumjoner, som är nödvändiga för att batteriet ska fungera. För det tredje hjälper det till att upprätthålla enhetligheten i batteriets inre struktur genom att förhindra bildning av dendriter, som är små, nålliknande strukturer som kan växa från anoden och punktera separatorn, vilket leder till en kortslutning.
Valet av separatormaterial kan ha en betydande inverkan på batteriets prestanda och säkerhet. Ett bra separatormaterial bör ha hög jonledningsförmåga, låg elektrisk ledningsförmåga och god termisk stabilitet. Den måste också kunna motstå påfrestningarna från upprepade laddnings- och urladdningscykler utan att försämras, och vara resistent mot termisk och kemisk nedbrytning.
Det finns flera typer av separatormaterial som används i elbilsbatterier, inklusive polyeten (PE), polypropen (PP) och keramiska material som litiumaluminiumtitanfosfat (LATP). Varje typ av separator har sina egna unika fördelar och nackdelar, och valet av separatormaterial beror på batteriets specifika krav.
Sammanfattningsvis är separatorn en kritisk komponent i ett EV-batteri som hjälper till att förhindra kortslutning och upprätthåller enhetligheten i batteriets interna struktur samtidigt som det tillåter flödet av litiumjoner som är nödvändigt för att batteriet ska fungera.
Elektrolyt
Flytande elektrolyter i litiumjonbatterier består av litiumsalter i ett organiskt lösningsmedel, såsom etylenkarbonat, dimetylkarbonat och dietylkarbonat.
En flytande elektrolyt fungerar som en ledande bana för katjonernas rörelse som går från de negativa till de positiva elektroderna under urladdning och i motsatt riktning under laddning.
Elektrolyter baserade på fasta material är områden som många arbetar med. Dessa kallas solid-state-batterier.
Solid-state-batterier har många potentiella fördelar, såsom högre energitäthet, snabbare laddning, längre livslängd och bättre säkerhet. Men de står också inför många utmaningar, såsom höga kostnader, låg strömtäthet, dålig gränssnittsstabilitet och svår skalbarhet.
Halvfasta batterier är en hybridtyp av batteri som kombinerar fasta och flytande elektrolyter. De syftar till att övervinna några av nackdelarna med solid state-batterier, såsom låg kontaktyta och långsam produktion. Halvfasta batterier har högre jonledningsförmåga, lägre intern resistans och bättre kompatibilitet med litiummetall än traditionella batterier. Men de har också lägre energitäthet, högre vikt och mer komplexitet än solid-state-batterier. Hittills har bara Nio tillkännagivit ett halvfast tillståndspaket som kommer att finnas tillgängligt i Kina under 2024.
Quasi solid state-batterier är en annan hybridtyp av batteri som använder en gelliknande elektrolyt istället för en flytande eller fast. De har liknande egenskaper som halvfasta batterier, men med mer flexibilitet och viskositet. Quasi solid state-batterier kan också bilda ett skyddande lager på ytan av litiummetall, vilket förbättrar batteriets cykelprestanda och säkerhet. Men de lider också av låg jonledningsförmåga, hög polarisation och dålig mekanisk hållfasthet.
Nuvarande samlare
Strömavtagaren är en komponent i en battericell som underlättar flödet av elektrisk ström mellan elektroden och den externa kretsen. I de flesta battericeller är strömavtagaren en tunn metallfolie placerad på vardera sidan av elektrodmaterialet.
I till exempel en litiumjonbattericell är strömavtagaren vanligtvis gjord av koppar eller aluminium och är belagd med ett tunt lager kol för att förbättra ledningsförmågan och förhindra korrosion. Strömavtagaren placeras typiskt på ytan av elektrodmaterialet, och när cellen laddas eller urladdas flyter strömmen från strömavtagaren genom elektrodmaterialet och tillbaka ut till den externa kretsen.
Designen och materialen som används för strömavtagaren kan ha en betydande inverkan på battericellens prestanda och hållbarhet. Till exempel kan en strömavtagare med hög ledningsförmåga och lågt motstånd bidra till att förbättra battericellens effektivitet, medan en strömavtagare som är utsatt för korrosion kan minska cellens livslängd.
Mest sålda elbilar globalt
Nedan hittar du de 10 mest sålda EV-modellerna i världen. Klicka på namnet för fullständig information.