هل يمكن للسيارات الكهربائية في المناخ البارد أن تصبح خيارًا للمركبة؟

تباطؤ معدل تبني السيارات الكهربائية

Electrification is a trend taking over the world. This is true for EVs, as well as for heating and industrial processes. However, not all is perfect yet, as classical lithium-ion batteries suffer a severe drop in performance in cold temperatures. So, while this is not really an issue in California or China, two hot spots of EV adoption, it can be a serious one in northern latitudes.

على الرغم من هذه القيود، نرى أن معدلات تبني السيارات الكهربائية مرتفعة في دول مثل النرويج (72% سيارات كهربائية و14% هجينة)، مما يدل على استعداد قوي لدى السكان للتحول إلى السيارات الكهربائية.

المصدر: Roland Berger

مع ذلك، قد يشير وضع جيران النرويج إلى أنه بدون إعانات ضخمة مماثلة لتلك النرويجية، قد يتوقف التبني عند أقل من 50% في المنطقة.

إذا حسّنت أنظمة البطاريات الأداء في البرد، يمكن للمنطقة ودول مشابهة أخرى أن تكون من أوائل الدول التي تصل إلى 100% من المركبات الكهربائية (BEV).

حتى الآن، كان الأمل الرئيسي في تحسين الأداء في درجات الحرارة المنخفضة يعتمد على بطاريات الصوديوم-أيون، خاصةً مع التقدم الملحوظ الذي أحرزته الشركة الصينية CATL (تابع الرابط للتقرير المقابل). لكن مفهومًا جديدًا قد يفتح الطريق لبطاريات الليثيوم-أيون المتكيفة خصيصًا للظروف الباردة.

It was investigated by Chinese researchers at the Donghua University (China), Fudan University, Qingdao University, and Inner Mongolia University. They recently published their result in Angewandte Chemie under the title “Negative Thermal Expansion Behavior Enabling Good Electrochemical-Energy-Storage Performance at Low Temperatures¹”.

مشكلات بطاريات الليثيوم-أيون في البرد

Lithium-ion batteries are still the most powerful and energy-dense form of batteries available today at the scale required for EVs. This might change in the future with solid-state batteries. Or maybe improved lithium-ion batteries like honeycomb batteries will be as efficient as solid-state technologies.

لكن في الحالتين، لا يزال مشكلة أداء الطقس البارد قائمة. السبب هو أن الطقس البارد، خاصةً درجات الحرارة تحت الصفر، يبطئ انتشار أيونات الليثيوم داخل مادة القطب. حتى الآن، اعتُبر هذا حدًا أساسيًا للتقنية، ناتجًا عن فيزياء تفاعل الليثيوم-أيون في درجات الحرارة الباردة.

The only alternatives in EVs have been to use the battery energy to keep it warm (wasting power) or install large enough battery packs that the range loss is acceptable for the user. At least until now.

الأقطاب ذات التمدد الحراري السالب (NTE)

The key concept used by the researchers is to use a characteristic called negative thermal expansion for the electrode material, or NTE. These are materials that expand when they are cooling, going in the opposite direction of most materials, especially metals.

مثال على ذلك في الحياة اليومية هو الماء، الذي يتمدد عند تجميده، مما يجعل الثلج أقل كثافة من الماء السائل.

The tests were conducted using lithium titanium phosphate LiTi2(PO4)3 or “LTP”.

LTP

This material is formed of a crystal structure forming a 3D lattice of TiO6 octahedra and PO4 tetrahedra. This creates an open, flexible structure that contains both “cavities” and “channels,” where lithium ions can lodge.

المصدر: Angewandte Chemie

عند تبريدها، يتمدد الهيكل البلوري على أحد محاوره البلورية. هذا يزيد المسافات بين ذرات الأكسجين، موسعًا التجاويف في الشبكة.

The larger space in cold crystals facilitates the storage and transport of the lithium ions.

أداء بارد قوي

The increasing size of the cavities does not fully negate the lower mobility of lithium ions, but it helps a lot. The researchers found that at −10 °C, lithium ions’ diffusion rate was still at 84% of the value obtained at 25 °C. They also tested how efficient & stable such a battery would be.

Electrochemical tests on carbon-coated LTP at −10 °C showed good electrochemical performance with high capacity and a high rate capability. The battery durability was also high, with no significant degradation of retention capacity over 1000 charge/discharge cycles (96.8 % capacity retention).

التطبيقات المستقبلية

This new type of electrode will need to be investigated for its potential in custom-built cold-climate EVs.

من المرجح أن يكون هذا مطلبًا للسيارات الكهربائية التي يجب أن تعمل في مناطق ذات شتاء قارس، مثل كندا، إسكندنافيا، روسيا، المناطق الجبلية، إلخ. على الأقل لتصبح المعيار، وليس مجرد سيارة ثانوية لطيفة للسائقين الأغنياء.

كما أنه من الممكن أن توجد مواد قطب أخرى ذات تمدد حراري سالب وتظهر خصائص كيميائية كهربائية أفضل. لذا من المرجح أن تكون هناك حاجة لمزيد من البحث للعثور على المادة المثالية للطقس البارد.

In the long run, such technology might also have important applications in space exploration, with vehicles and energy storage systems operating in orbit, the Moon, or Mars likely to require strong performance even in brutally cold environments.

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

Batteries are at the center of the trend of electrification, itself a major multi-trillion-dollar endeavor looking to remove fossil fuels from our power sources.

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

If you are not interested in picking specific battery companies, you can also look into battery ETFs like Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), or the WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, which will provide a more diversified exposure to capitalize on the growing battery industry.

CATL (300750.SZ)

As discussed, CATL is a technological leader with advanced honeycomb lithium-ion batteries and sodium-ion designs.

الشركة هي الرائدة عالميًا في تصنيع البطاريات، حيث تنتج أكثر من نصف حجم البطاريات العالمي. وهي موجودة في كل خطوة من سلسلة إمداد تصنيع البطاريات.

هذا صحيح بالنسبة لبطاريات الليثيوم-أيون، حيث تُعد الشركة رائدة منذ فترة طويلة. كما أنها قوية في بطارية LFP (فوسفات الحديد الليثيوم)، مع التصميم المحسن المعلن مؤخرًا الذي يمكنه إضافة 600 كلم من المدى في 10 دقائق فقط. في المجموع، قد يتجاوز مدى القيادة 1,000 كلم (600 ميل)، مما يزيل تمامًا كل “قلق المدى” لمالكي السيارات الكهربائية المستقبليين.

In parallel, CATL has also announced in the past impressive progress on many battery types :

• A 12,000-cycle ultra-long-life battery for utility-scale energy storage, with 18,000 cycles as a long-term goal.
• A battery with an energy density of 500 Wh/kg, potentially enabling the electrification of passenger aircraft.
• Mass production of 160Wh/kg sodium-ion batteries, with a target for 200 Wh/kg.

المصدر: CATL

CATL has invested 3.25B in battery recycling capacities in China. It has notably achieved a remarkable recovery rate of 99.6% for nickel, cobalt, manganese, and 91% for lithium.

Thanks to its scale, focus, and R&D achievements, CATL is likely to be at the forefront of battery innovation, manufacturing, and recycling.

This makes it a key partner for EV manufacturers, including Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc, with Hyundai recently added to CATL’s growing roster of strategic alliances.

In addition, the lessons learned in one chemistry can be applicable in another. So the discovery discussed in this article could be the origin of surprising combinations, for example, we can imagine a few new ideas:

• Negative thermal expansion electrode built with a honeycomb structure.
• Applying negative thermal expansion to sodium-ion technology to make the ultimate cold-resistant battery.
• Using negative thermal expansion in CATL’s ultra-stable utility-scale batteries, capturing the market for the electric grid of cold countries.

The economies of scale of already producing half of the world’s batteries are also likely applicable to the whole company, regardless of the specific technology used in an individual product.

So the more progress is made on battery tech in general, the more likely CATL is to be able to integrate it with its existing designs, creating larger demand, which itself increases the economies of scale further, in a positive feedback loop.

Lastly, investors should be aware of the growing rift between the USA and China, with CATL a potentially collateral victim. It has been added to the US Department of Defense’s Chinese Military Company (CMC) list.

CATL said in a statement that it had never engaged in any military-related business or activities, and that its addition to the CMC list was “a mistake.”

The company noted that it doesn’t expect any substantially adverse impact on its business, and that it was engaging with the US Department of Defense to address the situation, including by legal action if necessary.

Fast Market

This determination doesn’t impose any immediate sanctions on CATL or other companies on the list, but could still impact the stock price and CATL’s future exports to Western markets.

(You can also read our longer report from سبتمبر 2024, entirely dedicated to CATL, for a deeper dive into the company’s history and technology).

مرجع الدراسة:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative thermal expansion behavior enabling good electrochemical-energy-storage performance at low temperatures. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}