Snabba framsteg inom batterikemi i kombination med utvecklande mobilitetsvanor utmanar den traditionella metoden för att optimera batteriprestanda. Här förklarar Dr Doron Myersdorf, VD för extremsnabbladdningspionjären StoreDot, varför batteritillverkare måste hitta nya sätt att öka mångsidigheten i batteriprestanda på keminivå för att stödja en mängd olika förarbehov, och skisserar några av konsekvenserna av nya körmönster för den bredare elbilsindustrin.
Dr Doron Myersdorf, VD, StoreDot Elfordonsindustrin (EV) utvecklas i en start snabb takt, och ingenstans är detta mer uppenbart än inom batteriutvecklingsområdet. Radikalt nya tillvägagångssätt för batterikemi gör det möjligt för teknikutvecklare att övervinna utmaningar som skulle ha ansetts omöjliga för fem år sedan – som möjligheten att ladda en elbil helt på bara fem minuter. Målet med allt detta hårda arbete? Att optimera EV-körupplevelsen och påskynda övergången till helt elektrisk mobilitet genom att övervinna dagens största hinder för adoption – räckvidd och laddningsångest. Men när själva batterikemin fortsätter att utvecklas, blir det uppenbart att branschens traditionella tillvägagångssätt för att optimera livscykelprestanda också måste göra det.
Låt oss börja med att överväga hur batterilivscykelprestanda traditionellt har mätts. Detta är baserat på tre nyckelparametrar – energitäthet, laddningshastighet och antal laddnings-urladdningscykler. Dessa variabler är tätt sammanflätade, vilket betyder att om vi optimerar en så försämras de andra. Som sådan bygger batterioptimering till stor del på att hitta den bästa kombinationen av dessa tre parametrar. I många avseenden är detta en ganska förutsägbar process, och det betyder att om vi laddar ett batteri i sex timmar vet vi att det sannolikt kommer att leverera cirka 2000 cykler.
Men ankomsten av nya batterikemi, tillsammans med en växande sofistikering av batterihanteringssystem och ändrade körvanor förändrar spelet. Plötsligt är batteriprestanda inte längre fullt så deterministisk; istället kan det ändras över tiden beroende på hur fordonet körs och laddas. Detta innebär att vårt tänkesätt också måste förändras. Faktum är att vi inte kan fortsätta att optimera batteriprestanda på samma sätt som vi har gjort tidigare, som en statisk funktion. Det måste vara relaterat till förarens profil och det måste vara dynamiskt.
För utvecklare av batteriteknik är behovet av att identifiera vanorna hos framtidens elbilsförare särskilt relevant. Medan batterihanteringssystem ger oss flexibiliteten att ändra vissa parametrar över tiden om en förares behov förändras – till exempel om de byter jobb och plötsligt behöver använda sin bil oftare eller för längre resor – är batterikemin fixerad. Det är därför det är så viktigt att se till att den valda kemin och utformningen av batteriet är så nära anpassat till förarens förväntade behov som möjligt.
Denna insikt fick oss att fundera över hur framtidens elbilsförare skulle se ut och hur detta skulle påverka deras kör- och laddningsvanor. I verkligheten kommer det att finnas hundratals olika förarprofiler, men låt oss för enkelhetens skull fokusera på bara tre. Först är det förortsmamman, som i första hand använder sin bil för korta resor och laddar sitt fordon över natten hemma. I andra änden av spektrumet finns affärsmannen som regelbundet gör långa resor, ofta övernattar på hotell; för honom eller henne är frekvent snabbladdning avgörande. Sedan finns det föraren som hamnar någonstans mellan de två ytterligheterna, som använder sin bil för både korta och långa resor och därför kräver både långsam och snabb laddning.
För var och en av dessa berättelser finns det en implikation på specifikationen för batteriet. Så, till exempel, om en förare alltid snabbt laddar, måste vi titta på hur vi optimerar kemin baserat på den typen av beteende för att uppnå den bästa avvägningen mellan energitäthet och cykellivslängd för just den föraren.
Snabba framsteg inom batterikemi kombinerat med utvecklande mobilitetsvanor utmanar den traditionella metoden för att optimera batteriprestanda Det finns många kemi- och elektrokemiöverväganden som måste beaktas för att optimera batteriformulering och design utifrån förarens behov. Detta inkluderar att etablera den optimala kombinationen av grafit, kisel och/eller andra metalloider i anoden, bestämma rätt belastningsförhållande mellan katod och anod och att säkerställa att batteriets övre och nedre gränsvärden för avstängningsspänning förblir inom säkra gränser. Varje beslut vi fattar har dock konsekvenser för andra delar av batterikemin och designen, och därför måste allt detta tas i beaktande under designfasen.
När vi utvecklade vår extrema snabbladdningsteknik (XFC) var en av de viktigaste utmaningarna vi var tvungna att övervinna att hantera silikonets expansion under snabbladdningsprocessen. Vi uppnådde detta genom att använda nanopartiklar som kombineras i en 3D-struktur för att ge utrymme för partiklarna att expandera utan att dramatiskt påverka anodens övergripande struktur eller volym. När vi designar batterier för att passa en viss driftsmodell måste vi bestämma inte bara den bästa kombinationen av material för att optimera parametrarna som är viktigast för föraren, utan också hur varje kombination påverkar anodens struktur. Så, till exempel, medan batterier optimerade för både XFC och långsam laddning kan vara kiseldominerande, kommer bara XFC-batteriet att kräva användning av nanopartiklar för att kontrollera expansionen av kisel under snabbladdningsprocessen.
För att komplicera saken ytterligare påverkas anodens struktur också av typen av elektrolyt och elektrolyttillsatser som används som en del av SEI-skiktet när jonerna rör sig från katod till anod. Eftersom valet av tillsatser är beroende av om ett batteri är optimerat för XFC, långsam laddning eller någonstans mitt emellan de två, måste detta också betraktas som en del av den övergripande anoddesignen.
Kombinationen av material som används i anoden kommer också att påverka batteriets övre och nedre avstängningsspänningsgränser, så detta är en annan variabel som måste beaktas under designstadiet. På samma sätt måste vi också ta hänsyn till hur fordonets driftsmodell kommer att påverka belastningsförhållandet katod till anod (C till A-förhållande) i battericellen. Att etablera det korrekta C till A-förhållandet är avgörande för att säkerställa att det i varje laddnings- och urladdningscykel sker en helt reversibel reaktion, vilket innebär att allt litium helt kan överföras fram och tillbaka mellan katoden och anoden. När vi designar batteriet kan vi öka storleken på antingen katoden eller anoden med cirka 5 % för att balansera litiumöverföringen, eftersom varje alternativ erbjuder olika optimeringspunkter. I ett batteri optimerat för snabbladdning måste katoden vara något större, medan i ett batteri optimerat för långsam laddning kan storleken på anoden ökas.
Det är viktigt att se till att kemin och designen av ett EV-batteri är så nära anpassat till förarens förväntade behov som möjligt Detta är bara några av sätten som batteritekniken kan anpassas för att bättre möta de växande behoven hos framtida elbilsförare. Men fördelarna med att anta ett mer kundcentrerat tillvägagångssätt kommer att sträcka sig långt utöver att förbättra batteriprestanda. Att fånga data om körvanor i stor skala kommer till exempel att visa sig vara ovärderligt för infrastrukturleverantörer när de bestämmer antalet och typen av laddningspunkter som krävs, det vill säga om man ska använda långsam laddning eller snabbladdning på varje specifik plats.
Detta kommer att kräva ett standardiserat tillvägagångssätt för hur data samlas in och sprids till relevanta intressenter. Denna process bör börja vid inköpsstället, med återförsäljaren som ställer en rad frågor som, "på en skala från 1-10, hur viktigt är snabbladdning för dig?". Ett annat tillvägagångssätt skulle vara att be kunden om tillåtelse att ladda ner sin Google Driver Analytics, och därigenom få tillgång till viktig information som genomsnittlig restid, avstånd, körhastighet och laddningsvanor, med en knapptryckning. Återförsäljaren kommer då att kunna hjälpa sina kunder att välja inte bara det bästa fordonet för sin livsstil, utan också den optimala batteritypen baserat på deras speciella kör- och laddningsvanor.
Om vi tittar längre fram på vägen kan vi se att det sista stoppet på denna resa kommer att erbjuda helt anpassade batterier som standard. Även om vi för närvarande är långt ifrån att uppnå detta mål, är det viktigt att de nödvändiga byggstenarna sätts på plats nu. Det är bara genom att sätta förarna stadigt i förarsätet som vi framgångsrikt kommer att låsa upp nästa steg i utvecklingen av elbilsbatterier.
Att fånga data om körvanor i stor skala kommer att visa sig vara ovärderligt för infrastrukturleverantörer när de ska fastställa antalet och typen av laddningspunkter som krävs 