Att utveckla en batterikemi är alltid en övning som kräver att man gör eftergifter. Det finns inte en batterikemi som är den bästa inom alla områden, för att ha ett välbalanserat batteri måste vi göra kompromisser när det gäller energitäthet, effekttäthet, säkerhet, livslängd och kostnad.
I denna långa artikel kommer vi att se vart batteritekniken är på väg med fokus på utvecklingen av NCM-katoder. Jag lämnar anoder och elektrolyter till en annan tid.
Låt oss börja med att jämföra några populära batterikemi för elfordon. Priserna varierar från 1 (sämsta) till 5 (bäst).
Anoder
litiumtitanatoxid ( LTO )
Katoder
Litiumferrofosfat ( LFP )
Litium Nickel Kobolt Mangan (NCM 333 eller 111)
Litium Nickel Kobolt Mangan (NCM 523)
Litium Nickel Kobolt Mangan (NCM 622)
Litium Nickel Kobolt Mangan (NCM 811)
Litium Nickel Kobolt Aluminium ( NCA )
LTO- och LFP-kemin används endast när det krävs riktigt snabb laddning (5-10 C), till exempel i elbussar. Medan NCA används av Tesla använder nästan alla biltillverkare batterier med NCM-katoder.
Det är allmänt känt att de främsta hindren för införandet av elbilar är pris och räckvidd. Därför har de senaste förbättringarna av NCM-katoder fokuserats på att öka energitätheten och minska kostnaderna, på bekostnad av att minska effekttätheten, livslängden och säkerheten. Men högre batterikapacitet minskar problemet med lägre effekttäthet och dålig livslängd. När det gäller mindre säkra battericeller kräver de mer skyddande BMS (Battery Management System) och TMS (Thermal Management System) men är inte riktigt farliga.
Den allmänna formeln som använts för att minska kostnaderna och samtidigt öka energitätheten för NCM-battericeller har varit att minska kobolthalten i katoden genom att ersätta den med mer nickel. Att lägga till kisel till grafitanoder hjälper också till att öka energitätheten, på bekostnad av att minska livslängden. Kom ihåg att det alltid är en kompromiss...
I år markerar introduktionen av NCM 811-batterier till massproduktion av elbilar. Det kinesiska företaget CATL vann loppet och var den första tillverkaren som satte in NCM 811-battericeller i en massproducerad elbil som redan levereras till kunder – NIO ES6. Ändå följer andra efter.
BYD är en annan kinesisk battericellstillverkare som tillkännagav NCM 811-batterier för i år. Medan Envision AESC siktar på att börja producera NCM 811-battericeller 2020.
När det gäller koreanska battericellstillverkare har de skjutit upp vad de lovat före alla andra. SK Innovation räknar nu med att introducera sina egna NCM 811-battericeller för elbilar i full skala i början av nästa år, medan LG Chem kommer att satsa på NCM 712-katoder för påsceller. Samsung SDI ligger långt efter och räknar med att börja producera NCM 811-battericeller först 2021.
Det är tydligt att NCM 811-battericellerna är nutiden och den närmaste framtiden för elfordon. De har stor energitäthet och låg kostnad, vilket möjliggör längre räckvidd och billigare elbilar. Men de har redan en efterträdare på väg...
SK Innovation meddelade att deras NCM 811-battericeller – som kommer tidigt nästa år i full skala – ger 600 km (372 miles) räckvidd till elbilar, men det är 2022 då räckvidden inte längre kommer att vara ett problem tack vare introduktionen av NCM 90 (NCM 9.5.5) battericeller.
NCM 90-katoderna (NCM 9.5.5) minskar ytterligare behovet av kobolt, som är knapphändigt och dyrt.
Låt oss nu titta bakom hypen och se var den här batteriteknikutvecklingen befinner sig.
Cykelprestanda för NCM-katoder med Li-metallanod
Diagrammen ovan visar cykellivslängden för olika NCM-katoder vid mycket höga laddningsspänningar. Var inte rädd för den uppenbara höga nedbrytningen av cellerna. Det förväntas för så höga laddningsspänningar, den typ av spänningar som vi vanligtvis ser på smartphonebatterier.
Lyckligtvis har elbilar sina battericeller bättre skyddade och begränsade till lägre laddningsspänningar. Till exempel är battericellerna i Nissan LEAF begränsade till en max laddningsspänning på 4,2 V. Andra elbilar har ännu lägre gränser för att minska batteriförsämringen.
Nu tillbaka till diagrammen.
Författarna nämner att "NCM-622 (4,5 V) och NCM-811 (4,3 V) uppvisade en liknande initial urladdningskapacitet på 200 mAh g-1 vid 0,5 C med en kapacitetsretention på 93% efter 100 cykler." Dessutom hade NCM 622-katoden högre strukturell stabilitet.
Men även om NCM 622-katoden är säkrare och när den är begränsad till 4,5 V har en cykellivslängd och kapacitet som liknar NCM 811-katoden när den är begränsad till 4,3 V, är det ingen idé att använda den senare för elbilar pga. till kostnadsminskning genom att kräva mindre kobolt. Kom ihåg att det alltid finns kompromisser inom batteriteknik och nu är fokus att minska kostnaderna för att möjliggöra massifiering av elbilar.
Nu när det gäller NCM 90-katoden ser saker bra ut, men den kanske inte är redo att ersätta NCM 811-katoden ännu.
NCM 90-katoden när den cyklas mellan 2,7 och 4,3 V vid 0,5 C behåller 90 % av sin initiala batterikapacitet efter 100 cykler. Därför skulle en ny elbil med 600 km räckvidd ha en räckvidd på 540 km efter 57 000 km [(600 + 540) / 2 x 100)] under dessa förhållanden. Den goda nyheten är att inget elbilsbatteri cyklas under dessa extrema förhållanden. De är mycket bättre skyddade.
Jag skulle vilja se hur NCM 90-katoden beter sig när den cyklas mellan 2,8 och 4,1 V, det är rimligt att förvänta sig att cykellivslängden är mycket bättre än bara 90 % kapacitetsretention efter 100 cykler. Det måste vara tillräckligt bra för att tillåta en standardbatterigaranti, som för de flesta elbilar garanterar en minimikapacitet på 70 % i åtta år eller 160 000 km (100 000 miles).
Tills vi har helt koboltfria batterier är NCM 90-katoder ett nödvändigt steg framåt för att möjliggöra massifiering av elbilar.
Hur som helst, SK Innovation var den första battericellstillverkaren att tillkännage NCM 90-battericellerna, men jag tvivlar på att det kommer att vara den första att producera dem. Jag tror att det förmodligen kommer att vara antingen CATL eller BYD.
Denna artikel var endast möjlig tack vare Sci-Hub. "Sci-Hub är ett projekt för att göra kunskap gratis" som ger alla tillgång till forskningsartiklar som vanligtvis är instängda bakom betalväggar. Sci-Hub är demokratisering av vetenskap.
Tack Emanuele för upplysningen.
