En dråbe forebyggelse er værd et pund kur – Sådan bruges EIS til at forbedre batteriets sundhed i elbiler

Elbiler (EV’er) har i de seneste år fået stor opmærksomhed, drevet af den globale overgang til ren energi og bæredygtig transport.

Da de udleder nul udstødning fra udstødningen, er elbiler betydeligt bedre for miljøet end deres benzin- og dieselmodparter. Dette gør elbiler til en nøgle‑teknologi for afkarbonisering af vejtransport, som står for omkring en sjettedel af de globale emissioner.

De har også lavere drifts‑ og vedligeholdelsesomkostninger end forbrændingsmotorer, hvilket gør dem langt mere effektive og overkommelige.

Som følge heraf vokser populariteten og udbredelsen af elbiler markant, med næsten én ud af fem solgte biler i 2023 som elektrisk. Efter at have passeret 10‑millionersgrænsen i 2020, nåede antallet af elbiler på vejene 40 millioner sidste år.

I 2023 alene var salget af elbiler næsten 14 millioner, hvoraf 95 % var i Kina, Europa og USA. Som følge af denne vækst udgør elbiler nu omkring 20 % af alle nye bilsalg på verdensplan, og andelen forventes at stige til omkring 50 % i 2030.

Der er ikke kun én type elbil; der findes flere typer:

• Batterielektriske køretøjer (BEV’er)
• Plug‑in hybrid‑elektriske køretøjer (PHEV’er)
• Hybrid‑elektriske køretøjer (HEV’er)
• Brændselscelle‑elektriske køretøjer (FCEV’er)

Blandt disse er batteridrevne elbiler de mest almindelige og udgjorde 70 % af elbilparken i 2023.

BEV’er drives udelukkende af elektricitet og kan genoplades fra eksterne kilder. De er mere effektive end hybrid‑ og plug‑in hybrid‑køretøjer.

Da batterier er energikilden i elbiler, er de den vigtigste komponent i et elektrisk køretøj. Ved at erstatte forbrændingsmotorer kan batteri‑elbiler betydeligt reducere forurening, hjælpe med at integrere vedvarende energikilder som vind og sol og sikre bæredygtighed.

Når det gælder elbiler, bestemmer batteriets tilstand deres ydeevne. Størrelsen, målt i kilowatt‑timer, angiver, hvor meget elektricitet batteriet kan lagre, og hvor langt bilen kan køre på en enkelt opladning.

Jo højere energitæthed batteriet har, desto længere rækkevidde per opladning. Desuden er hurtig opladning afgørende for, at elbilsejere kan genoplade deres køretøjer hurtigt.

I dag bruger elbiler en række batterityper, herunder lithium‑ion, som er den mest udbredte. Bly‑syre er et populært valg, især i USA, på grund af omkostningseffektivitet og lang levetid, mens lithium‑svovl øger den teoretiske opladningskapacitet.

Udover den stigende miljøbevidsthed og statslige incitamenter driver fremskridt inden for batteriteknologi, især dem der har gjort elbiler mere effektive og overkommelige, adoptionen af elektriske køretøjer.

Derfor spiller batterier en kritisk rolle i elbiler og den bredere overgang til ren energi, hvilket gør det nødvendigt at have et klart billede af deres præstation og tilstand. Til dette formål har forskere udviklet en ny teknologi, der overvåger batteriers tilstand med høj præcision for at maksimere deres effektivitet og stabilitet på lang sigt.

Teknologi til præcis diagnose af elbilbatterier

Forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) udviklede denne nye teknologi til præcis diagnose af elbilbatteriers tilstand, hvilket er essentielt for deres effektive styring og sikre brug, ved kun at anvende små strømstyrker.

Dette blev annonceret i sidste uge af KAIST, som bemærkede, at et forskerteam ledet af professorerne Sang‑Gug Lee og Kyeongha Kwon fra Institut for Elektroteknik havde udviklet elektro‑kemisk impedansspektroskopi (EIS)-teknologi.

Denne EIS‑teknologi kan anvendes til at forbedre ydeevnen og stabiliteten af højkapacitetsbatterier i elbiler.

Elektrokemisk impedansspektroskopi er et kraftfuldt værktøj, der måler impedansens størrelse og ændringer i et batteri, hvilket muliggør evaluering af batteriets effektivitet og tab.

Batteriimpedans er blot et mål for modstanden mod strømmen inden i batteriet. Denne ikke‑invasive metode til at forebygge batterifejl identificerer tidlige tegn på svaghed eller forringelse og undersøger dets ydeevne og tilstand.

Som et vigtigt værktøj til at vurdere batteriets ladningsstatus og sundhed kan det også analysere kemiske eller fysiske ændringer, beskrive termiske egenskaber, identificere årsagerne til fejl og forudsige batteriets levetid.

Dog er konventionelt EIS‑udstyr både dyrt og komplekst, hvilket gør det svært at installere, betjene og vedligeholde.

Derudover er der begrænsninger i præcision og følsomhed, så når vi påfører strømforstyrrelser på flere ampere på et batteri, kan det medføre betydelig elektrisk belastning. Dette øger risikoen for brand eller batterifejl, hvilket gør det vanskeligt at anvende i praksis.

Derfor har ingeniørteamet fra KAIST udviklet et lavstrøm‑EIS‑system til at diagnosticere tilstanden og sundheden af højeffektive elbilbatterier.

Dette nye system kan måle batteriimpedans præcist med lave strømforstyrrelser, dvs. 10 mA. Under måleprocessen minimerer den nye EIS‑teknologi termiske effekter og sikkerhedsproblemer.

En yderligere fordel ved dette system er, at det reducerer behovet for store og dyre komponenter, så det nemt kan integreres i køretøjer.

Det nye EIS‑system har faktisk demonstreret sin succes i at bestemme de elektrokemiske egenskaber ved elbilbatterier under forskellige driftsforhold, herunder forskellige temperaturer og ladningsniveauer (SOC).

Systemets nemme integration i elbilernes batteristyringssystem (BMS) samt dets høje målepræcision og reducerede kompleksitet og omkostninger sammenlignet med konventionelle højstrøm‑EIS‑metoder gør det virkelig fordelagtigt for elbiler.

Ifølge korresponderende forfatter Professor Kyeongha Kwon kan systemet også bidrage til batteridiagnostik og præstationsforbedringer for energilagringssystemer (ESS).

Andre udviklinger inden for elbilbatteriers tilstand og sikkerhed

I betragtning af batteriers betydning har forskere arbejdet på forskellige metoder til at få et bedre indblik i deres tilstand. Batterikapaciteten i elbiler falder med omkring 10 % efter cirka 6,5 år ved kontinuerlig brug. Overopladning og overafladning bidrager også til dette fald.

Sidste år udviklede et team af Michigan Engineering-forskere en formel til at diagnosticere og overvåge et batteri uden at demontere det. Formlen, som også kan anvendes på andre fotoniske og elektroniske enheder, fungerer for enhver kombination af batterimaterialer.

En metode forskerne bruger til at undersøge batterier er at påføre en svag vekselstrøm, svarende til hvad der kommer fra en stikkontakt men meget svagere, for at undersøge batteriet. I denne proces ændrer impedansen sig afhængigt af frekvensen af den vekselstrøm eller hvor hurtigt den skifter retning.

Et centralt mål er, hvordan impedansen varierer med frekvensen, opnået ved at sweep frekvensen fra lav til høj. For at opnå dette skal der bygges et forhold mellem batterimaterialerne og deres signatur. Teamet udarbejdede dog deres egen formel til at beskrive forholdet. Når impedansen er målt ved nogle få frekvenser, kan formlen forudsige impedansen som en funktion af frekvensen over et bredt frekvensområde.

Ifølge teamet fungerer formlen som en måde at vise materialimpedans ved kun at bruge få eksperimentelle datapunkter. Den forenkler hele processen med at modellere strømmen gennem enheder fremstillet af forskellige materialer og kræver ikke forudgående kendskab til materialets mikrostruktur.

Den kan yderligere hjælpe med at designe bedre faste elektrolytter, identificere impedansfunktionerne i andre batterikomponenter og bygge præcise batterimodeller for at levere sikrere og mere effektiv kontrol ved opladning og afladning.

På det tidspunkt sagde teamet, at de planlægger at bruge formlen til at forstå og derefter designe faste elektrolytter med blandede materialer, som kan give højere kapacitet og bedre sikkerhed.

Fremskridt inden for strukturel batteridesign, materialer og overvågningssystemer fortsætter, hvilket har forbedret sikkerhedsforanstaltninger for at forhindre interne kortslutninger og termisk løbsk. Forskere fokuserer i stigende grad på rollen af silicium‑baserede anoder, især SiO‑partikeldistributionen i anodelaget, for at opnå højere energitæthed samtidig med at de kontrollerer negative effekter under cyklussen, hvilket forbedrer sikkerhed og levetid.

Når det gælder batteridesign og -samling, fremstår lim også som en kritisk komponent, der giver fordele som forbedret ydeevne ved at optimere den termiske grænseflade mellem battericeller og kølesystemer, større designfleksibilitet ved at binde forskellige materialer, forbedret energistyring for sikkerhed og omkostningsbesparelser gennem strømlining af produktionsprocesser.

Forskere og virksomheder udnytter også AI til opdagelse af batterimaterialer og fremstilling. Selvom elbilbatteriteknologien har gjort betydelige fremskridt i de senere år, eksisterer der stadig flere udfordringer inden for materialer, design, rækkevidde og batteristyringssystemer.

Batteristyringssystemet (BMS) i en elbil handler om at sikre effektivitet, sikkerhed og levetid ved at optimere batteriets ydeevne. Traditionelle batteri‑estimativer vedrørende sundhed og ladning for at forudsige fremtidig nedbrydning har ikke været præcise, hvilket har ført til ML‑algoritmer for BMS, der analyserer real‑tidsdata for præcise estimater af batteriets tilstand (SOH) og ladningsstatus (SOC). BMS bruger derefter disse estimater til at optimere batteriets ydeevne.

Det globale marked for fremstilling og test af elbilbatterier er faktisk et hurtigt voksende marked, som blev vurderet til $1,9 mia i 2023. Dette marked forventes at vokse med en CAGR på over 17,6 % i de næste otte år og nå $7,8 mia i 2032.

Denne vækst drives af stigende EV‑adoption og efterfølgende batteriproduktion, teknologiske fremskridt inden for batterikemi, batterisikkerhed og pålidelighedskrav samt øget fokus på bæredygtighed og reduktion af CO₂‑emissioner.

For et par måneder siden annoncerede det amerikanske energiministerium (DOE) $43 millioner i finansiering til projekter, der vil fremme forskning, udvikling og implementering inden for kritiske batteriområder. Initiativets mål er at drive innovation inden for lav‑omkostningsproduktion af EV‑batterier, reducere fejl, forbedre batterisikkerhed og styrke den indenlandske forsyningskæde for batterimaterialer.

Dette er i overensstemmelse med den amerikanske nationale plan for transportdekarbonisering, som har til mål at fjerne alle emissioner fra transportsektoren inden 2050 ved at fremme batteriteknologier, der driver sikre og effektive nul‑emissions‑EV’er.

Virksomheder der hjælper med at fremme elbilbatteristyring

Lad os nu se på virksomheder, der arbejder i krydsfeltet mellem EV‑batterisundhedsteknologi, BMS‑systemer og EIS‑fremskridt, som alle er afgørende for at opretholde EV‑markedet og optimere batterilevetid og sikkerhed.

Elon Musks Tesla (TSLA ) er blandt de mest fremtrædende, og den er dybt investeret i højkapacitets‑ og langtidsholdbare batterier til elbiler. Med Tesla‑aktierne oppe 4,83 % i år, er dens markedsværdi i øjeblikket $830,7 mia.

Derefter er der den $3,24 mia store QuantumScape Corporation (QS ), som udvikler faste lithium‑metal‑batterier til elbiler, mens den $1,9 mia store Enovix Corporation (ENVX ) udvikler avancerede silicium‑anode‑lithium‑ion‑batterier. Den $11,18 mia store Albemarle Corporation (ALB ) er en førende lithiumproducent og er involveret i at forbedre batteriets effektivitet og sikkerhed. Aktierne i QS, ALB og ALB er faldet 6,47 %, 34,14 % og 13,14 % i år henholdsvis.

Analog Devices (ADI ) er et $114 mia stort firma, hvis aktier er oppe 15,67 % år‑til‑dato. Samtidig leverer de batteristyringssystem‑løsninger (BMS) til elbilbatterier.

Lad os nu se nærmere på en anden relateret virksomhed, som har klaret sig godt i år.

General Motors Company

Den $59,2 mia store bilgigants aktier har i år oplevet en fin stigning. Med kun lidt over to måneder tilbage af 2024, er GM‑prisen steget 46,77 % og handles til $52,9. Den har en EPS (TTM) på 9,37 og en P/E‑ratio (TTM) på 5,63 samt en udbytteafkast på 0,91 %.

General Motors (GM ) beskæftiger sig med design, fremstilling og salg af biler, lastbiler og bildelar samt leverer software‑baserede tjenester. De er også pionerer inden for fremskridt i batteriteknologi, sikkerhed og ydeevne for deres EV‑flåde gennem Ultium‑platformen.

Ultium blev første gang præsenteret i 2020, og dens administrerende direktør, Mary Barra, kaldte den:

“En multi‑brand, multi‑segment EV‑strategi med stordriftsfordele, der kan måle sig med vores fuldstørrelsestruck‑forretning, men med langt mindre kompleksitet og endnu større fleksibilitet.”

Under et nyligt møde annoncerede Barra, at Ultium‑batterimærket nu udfases, men at EV‑salget vil forbedres. GMs EV‑sortiment omfatter Chevy Equinox og Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq og Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GMs vicepræsident for battericeller, anerkendte dog vigtigheden af Ultium i at hjælpe med at lancere den brede vifte af helt nye EV‑modeller, og bemærkede:

“(Virksomhedens) overgang fra én størrelse passer til alle til nye program‑specifikke batterier.”

GM ser nu på flere batterikemier for bedre at kunne imødekomme præstationskravene.

Bilvirksomheden planlægger også at bygge et batteriprototypingscenter i Michigan, som åbner i 2027, og som kan reducere udviklingstiden for batterier med op til et år.

Denne uge rapporterede GM finansresultaterne for Q3 2024, som viste en omsætning på $49 mia, op 10 % år‑til‑år, mens justeret fri cash‑flow fra bilsektoren var $5,8 mia, en stigning på $900 millioner i forhold til sidste år. I denne periode foretog GM aktietilbagekøb for $1 mia.

Virksomheden så sin detailmarkedsandel i USA vokse i Q3, mens driftsmiljøet i Kina forblev udfordrende. Garantikostnaderne steg også på grund af inflationspres.

Hvad angår EV‑produktion, er virksomheden på vej til at producere 200.000 EV‑biler i Nordamerika i år. Selvom de gør fremskridt, arbejder GMs EV‑forretning stadig på at opnå rentabilitet og forventer en forbedring på $2 mia til $4 mia i EV‑tab.

Konklusion

Efterhånden som overgangen til ren energi accelererer kraftigt, støttet af regeringspolitikker, incitamenter og industrielle strategier, har verden skiftet til elbiler. Den hurtige vækst i EV‑markedet understreger batteriernes essentielle rolle og kræver høj effektivitet og sikkerhed. Teknologier som elektro‑kemisk impedansspektroskopi og innovative batteristyringssystemer kan hjælpe med at finjustere, hvordan vi overvåger elbilbatteriers sundhed og bidrage til sikrere, mere bæredygtig EV‑brug.

Efterhånden som flere studier, virksomheder og regeringer fokuserer på at forbedre EV‑batteridiagnostik, vil vi se længere‑holdbare batterier, sikrere design og effektiv energilagring – alt sammen afgørende for, at elbiler kan opnå bred adoption. Disse innovationer kan yderligere hjælpe med at nå ambitiøse globale klimamål og føre til en renere, mere bæredygtig fremtid.

Klik her for en liste over de top 10 EV‑aktier at investere i.