Vårt framtidshopp står till batterierna
Björn Bergman - 2008-04-10 13:59 , senast uppdaterad 2008-04-10 16:30I begynnelsen var alla bilar elektriskt drivna. Efter drygt 100 år med förbränningsmotorer börjar "parentesen" med olja som drivmedel ta slut och elbilar är åter ett alternativ. Batterierna har utvecklats enormt, men hur bra kan de bli? Och framför allt - går det att göra batterierna väsentligt billigare?
Opels konceptbil E-Flex är ett mellanting av crossover och femdörrars kombikupé med en dieselhybrid som med stort batteripaket utlovar en aktionsradie på hela 10 mil. Elmotorn ger som mest 120 kW och 320 Nm. KLICKA FÖR STÖRRE
Oljan kostar över 100 dollar per fat, regeringen i USA tvingar ner bilarnas bränsleförbrukning och EU sätter tak för koldioxidutsläppen. De fossila drivmedlens glada dagar lider mot sitt slut.
Ett av de mest realistiska alternativen till bensin och diesel är eldrivning. Elmotorn har hög verkningsgrad, ger inga avgaser och "bränslet" är relativt billigt. Sent om sider har bilindustrin insett att det är dags att vidareutveckla den 175-åriga tekniken.
Först med att satsa på elmotorn i modern tappning var Toyota, som kom med sin hybridmodell Prius redan 1997. Sedan gick det några år, och nu pratas det el- och hybriddrift hos alla tillverkare, för alla fordonstyper - även sportvagnar.
Toshibas SCiB-batteri är av lithiumjontyp och tål mycket hög laddström, upp till 50 ampere, vilket innebär att det från urladdat tillstånd kan köras upp till 90 procent laddningsgrad på bara fem minuter. Toshiba garanterar 3.000 uppladdningar med 90 procent bibehållen, ursprunglig kapacitet.
Batterierna i Toyota Prius och andra hybridbilar är av typen nickel-metallhydrid (NiMH) - en typ som inte tål särskilt djupa urladdningar och som lagrar ganska lite energi per volym- och viktenhet.
Hoppet står nu till typen litium-jon (Li-jon), som i dag är standard i mobiltelefoner, laptopdatorer och handverktyg.
"Litium-jon-batteriet är mycket lovande, men det krävs mer grundforskning för att anpassa det för bilbruk", säger Jürgen Leohold, chef för koncernforskning hos Volkswagen AG. Ett konsortium med de tyska företagen BASF, Bosch, Evonic, Li-Tec och Volkswagen satsar de närmaste åren 360 miljoner euro på utveckling av Li-jon-batteritekniken, och tyska staten bidrar med 60 miljoner euro.
Tesla Roadster ska kosta 99.000 euro när den börjar säljas i Europa under våren 2009. En stor anledning till det höga priset är det dyrbara batteripaketet, med Li-jon batterier.
Fördelarna med Li-jon är klara: hög energitäthet, hög laddcykeltålighet, lågt vikt-effektförhållande och låg självurladdning.
Men det finns också nackdelar att övervinna: spänningsövervakningen som hindrar över- och underladdning kan inte hantera ett helt batteri utan måste kopplas till och aktivt reglera spänningen för varje enskild cell. Det förutsätter ett avancerat reglersystem, som givetvis kostar att tillverka.
Batteripaketet kan stöttas tillfälligt med så kallade "superkondensatorer" (supercaps) som blixtsnabbt lämnar och tar emot ström. Idealiskt för uppladdning vid inbromsning.
En annan svaghet att hantera är temperaturkänsligheten; ett Li-jon-batteri fungerar bäst mellan 25 och 40 plusgrader. Det ställer höga krav på klimatskydd för batteriet. Och inte nog med det: om temperaturskillnaden mellan cellerna överskrider 5 grader Celsius minskas livslängden för batteriet märkbart. Kanske kommer Li-jon-batterier för bilbruk i praktiken att förses med ett eget integrerat kylsystem med automatisk temperaturreglering.
Temperaturkontrollen är viktig också från säkerhetssynpunkt: om batteriet överhettas kan det börja brinna, och kan då vara omöjligt att släcka, eftersom vissa material i det kan skapa sin egen näring till lågorna.
Mercedes ser ut att bli den första biltillverkaren att använda ett litiumjonbatteri i en serieproducerad hybridbil - S400 BlueHybrid. Genom att integrera batteriet i bilens klimatsystem försäkrar man sig om att batteriet alltid arbetar under rätt förhållanden i temperaturer mellan 15 och 35 grader. KLICKA FÖR STÖRRE
Därför forskas det intensivt om nya elektrodmaterial. Idag används kobolt och mangan i kombination med litium och dessa material är dessutom för dyra. Ett nytt lovande katodmaterial är litium-järnfosfat, som är mycket billigare och säkrare.
Trots de praktiska svårigheterna med Li-jon-batteriet för bilbruk, är planerna på serietillverkning i full gång. Toyota samarbetar med Panasonic och ligger i teknikens framkant, och Toyotachefen har lovat att Prius i tredje generation (2010) även ska erbjudas som plugin-hybrid med litium-jon-batterier.
Plugin-tekniken med laddning från elnätet, finns redan hos några GM-modeller i USA och om några år lär vi få se den hos flera märken, även europeiska. Volkswagen har med minibilskonceptet Up visat att man är med på det tåget, liksom Opel med sin Flextreme - ett koncept som även förebådar en hybridmodell från Saab.
Thomas Weber är styrelsemedlem på Daimler AG, ansvarig för utvecklingsavdelningen, och bekräftar att man kommit långt med Li-jon batterierna.
Specialister som Johnson Controls och Continental Automotive är snart klara att leverera Li-jon-batterier till bilbranschen. Och Mercedes utvecklingschef Thomas Weber är säker på sin sak: "Vi är också fast beslutna att ge oss in på det här fältet."
Den här artikeln var ursprungligen publicerad i auto motor & sport nummer 3-2008. Du kan ladda hem artikeln som pdf-dokument i sin helhet, med fler illustrationer och mer material, genom att klicka på länken här.
INTERVJU:
"Förutsättningarna har aldrig varit bättre än nu."
Martin Winter, professor i materiallära för lagring och omvandling av energi, vid Wilhelms-universitetet i Münster.
Asien och USA har ett försprång inom batteritekniken för elbilar, men Europa satsar hårt på forskning och utveckling, och professor Martin Winter är optimistisk om elbilens framtid hos de europeiska tillverkarna.
ams: Vad gör litium-jon-batteriet lämpligt för el- och hybridbilar?
Martin Winter (MW): Med olika elektrodmaterial kan man höja energiinnehållet och spänningen, samtidigt som batteriet är lätt. Litium eller litiumderivat är bästa materialet för att nå detta.
ams: Mycket bättre än dagens nickel-metallhydrid alltså?
MW: Energiinnehållet (kWh) kontra vikt och volym är det dubbla med Li-jon jämfört med NiMH. Det möjliga effektuttaget relativt batterivolymen är 1,2 till 1,4 gånger större, och relativt batterivikten 1,3 till 1,7 gånger större. Konstruerar man batteriet för högre effekt (spänning), exempelvis med tunnare och mer porösa elektrodmaterial, minskar dock lagringskapaciteten,
ams: En konflikt alltså mellan krav på effekt för hybridbilen och kapacitet för elbilen?
MW: Ja, men batteriet skräddarsys för varje biltyp. Hybriden måste kunna laddas snabbt, elbilen kräver mer räckvidd (kWh) och batteriet är här en kompromiss mellan kapacitet och effekt. Det är till exempelvis inte tillräckligt snabbt för att lagra ström som alstras vid varje inbromsning.
ams: Vilken roll spelar laddningscyklerna?
MW: Här kan kan man med olika materialval variera kemin och egenskaperna mer än med NiMH-batterier. Vissa material ger mycket stor kapacitet och passar batterier som laddas sällan, exempelvis i laptopdatorer. En bil ställer krav på många fler laddningcykler och samtidigt stor livslängd. Det finns också Li-jon-batterier där kapaciteten är mindre, men som tillåter högre effektuttag. Generellt gäller att livslängden minskas när batteriet "körs hårt" och måste laddas ofta.
ams: Och sedan har vi de bekanta säkerhetsproblemen...?
MW: Ju mer man utnyttjar ett Li-jon-batteri till dess prestandagränser, desto större är risken för oönskade reaktioner som allvarligt kan hota säkerheten. Men med lämpligt materialval och förfinade tillverkningsmetoder kan man behärska nackdelarna. Det betyder dock att batteriet blir dyrare. Jag gissar att ett riktigt säkert batteri kostar minst tio procent mer i tillverkning än ett "standardbatteri".
ams: Kan vi på längre sikt förvänta oss att Li-jon-batterier sjunker markant i pris?
MW: Jag tror inte att batterier för bilar relativt sett blir billigare än för mobila apparater. Femtio procent av priset utgörs nämligen av materialkostnader. Och de billiga råmaterialens dagar är förbi - det gäller inte bara olja och gas. Visserligen är det ännu ingen brist på tillgång till litium, men priset är högt, och tillverkarna blir snart tvungna att återvinna materialet. Litium-jon-batterier är fortfarande mycket dyra att tillverka, men det finns ändå faktorer som talar för att de har en framtid i bilvärlden: förnybar energi blir billigare medan fossila bränslen blir allt dyrare. Samtidigt får vi räkna med allt fler miljöskatter nationellt och lokalt som bestraffar fordon som ger utsläpp i atmosfären.
ams: Med hänsyn till det försprång som tillverkare i Asien och USA har på batterisidan, kommer europeiska företag att ha några chanser i konkurrensen?
MW: Jag vill uttrycka det positivt: Våra chanser har aldrig varit så goda som nu!
"Förutsättningarna har aldrig varit bättre än nu."
Martin Winter.
Asien och USA har ett försprång inom batteritekniken för elbilar, men Europa satsar hårt på forskning och utveckling, och professor Martin Winter är optimistisk om elbilens framtid hos de europeiska tillverkarna.
ams: Vad gör litium-jon-batteriet lämpligt för el- och hybridbilar?
Martin Winter (MW): Med olika elektrodmaterial kan man höja energiinnehållet och spänningen, samtidigt som batteriet är lätt. Litium eller litiumderivat är bästa materialet för att nå detta.
ams: Mycket bättre än dagens nickel-metallhydrid alltså?
MW: Energiinnehållet (kWh) kontra vikt och volym är det dubbla med Li-jon jämfört med NiMH. Det möjliga effektuttaget relativt batterivolymen är 1,2 till 1,4 gånger större, och relativt batterivikten 1,3 till 1,7 gånger större. Konstruerar man batteriet för högre effekt (spänning), exempelvis med tunnare och mer porösa elektrodmaterial, minskar dock lagringskapaciteten,
ams: En konflikt alltså mellan krav på effekt för hybridbilen och kapacitet för elbilen?
MW: Ja, men batteriet skräddarsys för varje biltyp. Hybriden måste kunna laddas snabbt, elbilen kräver mer räckvidd (kWh) och batteriet är här en kompromiss mellan kapacitet och effekt. Det är till exempelvis inte tillräckligt snabbt för att lagra ström som alstras vid varje inbromsning.
ams: Vilken roll spelar laddningscyklerna?
MW: Här kan kan man med olika materialval variera kemin och egenskaperna mer än med NiMH-batterier. Vissa material ger mycket stor kapacitet och passar batterier som laddas sällan, exempelvis i laptopdatorer. En bil ställer krav på många fler laddningcykler och samtidigt stor livslängd. Det finns också Li-jon-batterier där kapaciteten är mindre, men som tillåter högre effektuttag. Generellt gäller att livslängden minskas när batteriet "körs hårt" och måste laddas ofta.
ams: Och sedan har vi de bekanta säkerhetsproblemen...?
MW: Ju mer man utnyttjar ett Li-jon-batteri till dess prestandagränser, desto större är risken för oönskade reaktioner som allvarligt kan hota säkerheten. Men med lämpligt materialval och förfinade tillverkningsmetoder kan man behärska nackdelarna. Det betyder dock att batteriet blir dyrare. Jag gissar att ett riktigt säkert batteri kostar minst tio procent mer i tillverkning än ett "standardbatteri".
ams: Kan vi på längre sikt förvänta oss att Li-jon-batterier sjunker markant i pris?
MW: Jag tror inte att batterier för bilar relativt sett blir billigare än för mobila apparater. Femtio procent av priset utgörs nämligen av materialkostnader. Och de billiga råmaterialens dagar är förbi - det gäller inte bara olja och gas. Visserligen är det ännu ingen brist på tillgång till litium, men priset är högt, och tillverkarna blir snart tvungna att återvinna materialet. Litium-jon-batterier är fortfarande mycket dyra att tillverka, men det finns ändå faktorer som talar för att de har en framtid i bilvärlden: förnybar energi blir billigare medan fossila bränslen blir allt dyrare. Samtidigt får vi räkna med allt fler miljöskatter nationellt och lokalt som bestraffar fordon som ger utsläpp i atmosfären.
ams: Med hänsyn till det försprång som tillverkare i Asien och USA har på batterisidan, kommer europeiska företag att ha några chanser i konkurrensen?
MW: Jag vill uttrycka det positivt: Våra chanser har aldrig varit så goda som nu!
Skriv kommentar
Läs alla kommentarer