Ennaltaehkäisy on painavampi kuin hoito – Kuinka EIS:ää käytetään parantamaan sähköautojen akkujen kuntoa

Sähköautot (EV:t) ovat saaneet paljon huomiota viime vuosina, johtuen maailmanlaajuisesta siirtymisestä puhtaaseen energiaan ja kestävään liikkumiseen.

Koska ne eivät tuota lainkaan pakokaasupäästöjä, sähköautot ovat merkittävästi ympäristöystävällisempiä kuin bensiinikäyttöiset ja dieselautot. Tämä tekee sähköautoista keskeisen teknologian tie- ja maantiekuljetusten hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, mikä vastaa noin yhtä kuudesta maailmanlaajuisesta päästöstä.

Niillä on myös alhaisemmat käyttökustannukset ja huoltokulut kuin polttomoottoriajoneuvoilla, mikä tekee niistä huomattavasti tehokkaampia ja edullisempia.

Tämän myötä sähköautojen suosio ja käyttöönotto kasvavat merkittävästi, ja lähes yksi viidestä vuonna 2023 myydystä autosta oli sähköinen. Kun 2020 ylitettiin 10 miljoonan raja, sähköautojen määrä teillä nousi viime vuonna 40 miljoonaan.

Vuonna 2023 sähköautojen myynti oli lähes 14 miljoonaa, joista 95 % tapahtui Kiinassa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa. Tämän laajentumisen seurauksena sähköautot muodostavat nyt noin 20 % kaikista uusista autonmyynneistä maailmanlaajuisesti, ja niiden osuus odotetaan nousevan 50 %:iin vuoteen 2030 mennessä.

Sähköautoja ei ole vain yhtä tyyppiä, vaan niitä on useita:

• Akkusähköautot (BEV:t)
• Lataushybridisähköautot (PHEV:t)
• Hybridisähköautot (HEV:t)
• Polttokenno‑sähköautot (FCEV:t)

Näistä akkukäyttöiset sähköautot ovat yleisimmät, ne muodostavat 70 % sähköautokannasta vuonna 2023.

BEV:t toimivat täysin sähköllä ja ne voidaan ladata ulkoisista lähteistä. Ne ovat tehokkaampia kuin hybridit ja lataushybridit.

Koska akut ovat sähköautojen energialähde, ne ovat tärkein komponentti sähköajoneuvossa. Korvaamalla polttomoottorit, akkukäyttöiset sähköautot voivat merkittävästi vähentää saastumista, auttaa uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli‑ ja aurinkoenergian, integroinnissa ja varmistaa kestävyyden.

Sähköautojen osalta akkujen kunto määrää niiden suorituskyvyn. Akun koko, joka mitataan kilowattitunneissa, kertoo, kuinka paljon energiaa akku voi varastoida ja kuinka pitkälle sähköauto voi kulkea yhdellä latauksella.

Mitä suurempi energian tiheys akussa, sitä pidempi on toimintamatka per lataus. Lisäksi pikalataus on olennaista, jotta sähköauton omistajat voivat ladata ajoneuvonsa nopeasti.

Nykyään sähköautot käyttävät erilaisia akkuja, mukaan lukien litiumioniakkuja, jotka ovat yleisimpiä. Lyijyhappiakut ovat suosittuja, erityisesti Yhdysvalloissa, niiden kustannustehokkuuden ja pitkän käyttöiän vuoksi, kun taas litium‑sulfa‑tekniikka lisää teoreettista latauskapasiteettia.

Ympäristötietoisuuden ja hallituksen tukien kasvun lisäksi akkuteknologian edistysaskeleet, erityisesti ne, jotka ovat tehneet sähköautoista tehokkaampia ja edullisempia, vauhdittavat sähköautojen käyttöönottoa.

Akun rooli on siis keskeinen sekä sähköautoissa että laajemmassa puhtaan energian siirtymässä, mikä tekee tärkeäksi saada parempi käsitys niiden kunnosta ja suorituskyvystä. Tätä varten tutkijat ovat kehittäneet uuden teknologian, joka tarkkailee akkujen tilaa erittäin tarkasti maksimoiden niiden tehokkuuden ja vakaan toiminnan pitkällä aikavälillä.

Teknologia tarkkaan EV-akkujen diagnosointiin

Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) -tutkijat loivat tämän uuden teknologian EV-akkujen tilan tarkkaan diagnosointiin, mikä on olennaista niiden tehokkaaseen hallintaan ja turvalliseen käyttöön, käyttäen vain pieniä virran määriä.

Tämä kehitys ilmoitettiin viime viikolla KAISTin toimesta, joka totesi, että sähkötekniikan koulun professoreiden Sang‑Gug Lee’n ja Kyeongha Kwon’n johtama tutkimusryhmä oli rakentanut elektrokemialliset impedanssispektroskopia (EIS) -teknologian.

Tätä EIS-teknologiaa voidaan käyttää parantamaan suurikapasiteettisten akkujen suorituskykyä ja vakautta sähköajoneuvoissa.

Elektrokemiallinen impedanssispektroskopia on tehokas työkalu, joka mittaa akun impedanssin suuruutta ja muutoksia, mikä mahdollistaa akun tehokkuuden ja häviöiden arvioinnin.

Akun impedanssi on yksinkertaisesti mitta akun vastuksesta virran kulkua vastaan. Tämä ei‑intrusiivinen tapa estää akkujen vikaantuminen tunnistaa varhaisvaiheessa heikkouden tai heikkenemisen merkit ja tarkastelee sen suorituskykyä ja kuntoa.

Tärkeä työkalu akun varausasteen ja kunnon arviointiin, se voi myös analysoida kemiallisia tai fysikaalisia muutoksia, kuvata lämpöominaisuuksia, paikantaa vian aiheuttajat ja ennustaa akun käyttöiän.

Kuitenkin perinteinen EIS-laitteisto on paitsi kallista myös monimutkaista, mikä tekee sen asennuksesta, käytöstä ja ylläpidosta vaikeaa.

Lisäksi tarkkuus‑ ja herkkyysrajoitukset tarkoittavat, että kun sovellamme useiden ampeerien virrastörmäyksiä akkuun, se voi aiheuttaa merkittävää sähköistä rasitusta. Tämä puolestaan lisää tulipalon tai akun vikaantumisen riskiä, tehden sen käytöstä käytännössä haastavaa.

Joten näiden ongelmien ratkaisemiseksi KAISTin insinööritiimi loi matalavirtaisen EIS-järjestelmän, joka diagnosoi erittäin tehokkaiden EV-akkujen kuntoa ja terveyttä.

Tämä uusi järjestelmä voi mitata akun impedanssia tarkasti pienillä virrastörmäyksillä, eli 10 mA. Mittausprosessin aikana uusi EIS-teknologia minimoi lämpövaikutukset ja turvallisuusongelmat.

Toinen tämän järjestelmän etu on, että se vähentää massiivisten ja kalliiden komponenttien tarvetta. Näin sen voidaan helposti integroida ajoneuvoihin.

Uusi EIS-järjestelmä on todellakin osoittanut menestyksensä EV-akkujen elektrokemiallisten ominaisuuksien määrittämisessä erilaisissa käyttöolosuhteissa. Tämä sisältää erilaiset lämpötilat ja varausasteet (SOC).

Järjestelmän helppo integrointi sähköautojen akkuhallintajärjestelmään (BMS), yhdessä korkean mittaus tarkkuuden ja vähentyneen monimutkaisuuden sekä kustannusten kanssa verrattuna perinteisiin suurivirtaisiin EIS-menetelmiin, tekee siitä erittäin hyödyllisen EV:ille.

Vastaavan tekijän professori Kyeongha Kwon mukaan järjestelmä voi myös edistää akkujen diagnostiikkaa ja suorituskyvyn parantamista energian varastointijärjestelmissä (ESS).

Muut kehitykset EV-akkujen kunnon ja turvallisuuden alalla

Ottaen huomioon akkujen merkityksen, tutkijat ovat työskennelleet erilaisilla tavoilla saadakseen paremman käsityksen niiden kunnosta. Loppujen lopuksi EV-akkujen kapasiteetti vähenee noin 10 % noin 6,5 vuodessa tasaisessa käytössä. Ylikuormitus ja ylivaraus myös vaikuttavat tähän heikkenemiseen.

Viime vuonna Michigan Engineering -tutkijaryhmä laati kaavan akkujen diagnosointiin ja seurantaan ilman niiden purkamista. Kaava, jota voidaan soveltaa myös muihin fotonisiin ja elektronisiin laitteisiin, toimii minkä tahansa akkumateriaalien yhdistelmän kanssa.

Yksi menetelmä, jota tutkijat käyttävät akkujen tutkimiseen, on heikon vaihtovirran soveltaminen, samankaltainen kuin seinäpistorasiasta tuleva, mutta paljon heikompi, akkuun. Tässä prosessissa impedanssi muuttuu vaihtovirran taajuuden tai sen suunnan muutoksen nopeuden mukaan.

Keskeinen mittari on, miten impedanssi vaihtelee taajuuden mukaan, mikä saadaan skannaamalla taajuus alhaisesta korkeaan. Tämän saavuttamiseksi on luotava suhde akkumateriaalien ja niiden ominaisuuksien välillä. Tiimi kuitenkin kehitti oman kaavansa suhteen kuvaamiseksi. Kun impedanssi on mitattu muutamalla taajuudella, kaava voi ennustaa impedanssia taajuuden funktiona laajalla taajuusalueella.

Tiimin mukaan kaava toimii tapana esittää materiaalin impedanssi vain muutamalla kokeellisella datapisteellä. Se yksinkertaistaa koko prosessin mallintamista, jossa sähkö kulkee eri materiaaleista valmistetuissa laitteissa, eikä vaadi etukäteen tietoa materiaalin mikrorakenteesta.

Se voi lisäksi auttaa suunnittelemaan parempia kiinteitä elektrolyyttejä, paikantaa muiden akkujen komponenttien impedanssiominaisuuksia ja rakentaa tarkkoja akkumalleja, jotka mahdollistavat turvallisemman ja tehokkaamman ohjauksen latauksen ja purkauksen aikana.

Silloin tiimi kertoi aikovansa käyttää kaavaa ymmärtääkseen ja sen jälkeen suunnitellakseen sekoitteisia materiaaleja sisältäviä kiinteän tilan elektrolyyttejä, jotka voivat tarjota suuremman kapasiteetin ja paremman turvallisuuden.

Rakenteellisten akkujen suunnittelun, materiaalien ja valvontajärjestelmien edistysaskeleet jatkuvat, mikä on parantanut turvallisuustoimenpiteitä sisäisten oikosulkujen ja lämpötilan hallitsemattoman nousun estämiseksi. Tässä tutkijat keskittyvät yhä enemmän piipohjaisten anodien rooliin, erityisesti SiO‑hiukkasten jakautumiseen anodilayerissa, saavuttaakseen korkeamman energiatehokkuuden halliten samalla haitallisia vaikutuksia syklisten aikana, parantaen näin turvallisuutta ja käyttöikää.

Akun suunnittelussa ja kokoonpanossa liimoilla on myös nouseva merkitys, tarjoten etuja kuten parannettu suorituskyky optimoimalla lämpöliittymää akkujen solujen ja jäähdytysjärjestelmien välillä, suurempi suunnittelun joustavuus sitomalla erilaisia materiaaleja, parempi energianhallinta turvallisuuden vuoksi, sekä kustannussäästöt valmistusprosessien tehostamisen kautta.

Tutkijat ja yritykset hyödyntävät myös tekoälyä akkumateriaalien löytämisessä ja valmistuksessa. Vaikka EV-akkujen teknologia on edistynyt merkittävästi viime vuosina, useita ongelmia on edelleen olemassa materiaalin, suunnittelun, toimintamatkan ja akkuhallintajärjestelmien osalta.

Sähköauton akkuhallintajärjestelmä (BMS) pyrkii varmistamaan tehokkuuden, turvallisuuden ja pitkäikäisyyden optimoimalla akun suorituskykyä. Perinteiset akkujen terveys‑ ja varausarviot tulevan heikkenemisen ennustamiseksi eivät ole olleet tarkkoja, mikä on johtanut koneoppimisalgoritmeihin BMS:ssä, jotka analysoivat reaaliaikaisia tietoja tarkkojen akun terveys‑ (SOH) ja varausasteen (SOC) arviointien saamiseksi. BMS käyttää näitä arvioita akun suorituskyvyn optimoimiseen.

Globaali EV-akkujen muodostus‑ ja testimarkkina on itse asiassa nopeasti kasvava, ja se arvostettiin 1,9 miljardilla dollarilla vuonna 2023. Tämän markkinan odotetaan kasvavan yli 17,6 % CAGR:n seuraavan kahdeksan vuoden aikana saavuttaen 7,8 miljardia dollaria vuoteen 2032 mennessä.

Tätä kasvua ohjaavat lisääntyvä EV:n käyttöönotto ja sitä seurannut akkujen tuotanto, akkimekaniikan teknologian edistysaskeleet, akkujen turvallisuus‑ ja luotettavuusvaatimukset sekä kasvava keskittyminen kestävyyteen ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen.

Muutama kuukausi sitten Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) myös julkaisi 43 miljoonan dollarin rahoituksen projekteille, jotka edistävät tutkimusta, kehitystä ja käyttöönottoa kriittisillä akkualueilla. Hankkeen tavoitteena on edistää innovaatioita edullisessa EV‑akkujen valmistuksessa, vähentää vikoja, parantaa akkujen turvallisuutta ja vahvistaa kotimaista akkumateriaalien toimitusketjua.

Tämä on linjassa Yhdysvaltain kansallisen liikenteen hiilineutraaliusstrategian kanssa, jonka tavoitteena on poistaa kaikki päästöt liikennesektorilta vuoteen 2050 mennessä edistämällä akkuteknologioita, jotka mahdollistavat turvalliset ja tehokkaat nollapäästöiset sähköautot.

Yritykset, jotka edistävät EV-akun hallintaa

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka toimivat EV‑akkujen terveys‑teknologian, BMS‑järjestelmien ja EIS‑edistysten leikkauspisteessä, jotka kaikki ovat ratkaisevia EV‑markkinan ylläpitämiseksi sekä akkujen käyttöiän ja turvallisuuden optimoimiseksi.

Elon Muskin Tesla (TSLA ) on yksi merkittävimmistä, ja se on syvästi panostanut suurikapasiteettisiin ja pitkäikäisiin akkuihin EV:itä varten. Teslan osakkeet ovat nousseet 4,83 % tänä vuonna, ja sen markkina‑arvo on tällä hetkellä 830,7 miljardia dollaria.

Sitten on $3,24 miljardin markkina‑arvoinen QuantumScape Corporation (QS ), joka kehittää kiinteän tilan litium‑metallipohjaisia akkuja EV:itä varten, kun taas $1,9 miljardin markkina‑arvoinen Enovix Corporation (ENVX ) kehittää edistyneitä piianodi‑litiiumioniakkuja. $11,18 miljardin markkina‑arvoinen Albemarle Corporation (ALB ) on johtava litiumtuottaja ja osallistuu akkujen tehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseen. QS:n, ALB:n ja ALB:n osakkeet ovat tänä vuonna laskeneet 6,47 %, 34,14 % ja 13,14 %.

Analog Devices (ADI ) on $114 miljardin yritys, jonka osakkeet ovat nousseet 15,67 % vuoden alusta. Samaan aikaan se tarjoaa akkuhallintajärjestelmä (BMS) -ratkaisuja EV‑akuille.

Katsotaanpa nyt tarkemmin toista tähän liittyvää yritystä, joka on menestynyt hyvin tänä vuonna.

General Motors Company

Tämän $59,2 miljardin markkina‑arvoisen autojättiläisen osakkeet ovat kokeneet tänä vuonna mukavan nousun. Vain hieman yli kahden kuukauden jälkeen vuodelle 2024, GM:n hinta on noussut 46,77 % ja se käy kaupassa $52,9. Sen EPS (TTM) on 9,37 ja P/E‑luku (TTM) 5,63, sekä osinkotuotto 0,91 %.

General Motors (GM ) on mukana autojen, kuorma‑autojen ja auton osien suunnittelussa, valmistuksessa ja myynnissä, sekä tarjoaa ohjelmistopohjaisia palveluita. Se on myös edelläkävijä akkuteknologian, turvallisuuden ja suorituskyvyn kehittämisessä EV‑valikoimassaan Ultium‑alustan kautta.

Ultium esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 2020, ja sen toimitusjohtaja Mary Barra kutsui sitä:

“Monibrändi‑ ja monisegmenttinen EV‑strategia, jonka mittakaavaedut kilpailevat täysikokoisen kuorma‑autoliiketoimintamme kanssa, mutta huomattavasti vähemmän monimutkaisuutta ja vielä enemmän joustavuutta.”

Viimeisimmässä kokouksessa Barra ilmoitti, että Ultium‑akku brändi poistuu, mutta totesi, että EV‑myynti paranee. GM:n EV‑mallistoon kuuluvat Chevy Equinox ja Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq ja Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GM:n varapuheenjohtaja akkusolujen osastolla, kuitenkin totesi Ultiumin merkityksen laajan uuden EV‑mallivalikoiman lanseeraamisessa, ja lisäsi:

“(Yrityksen) siirtyminen yhdestä koosta kaikkiin sopivasta mallista uusiin ohjelmakohtaisiin akkuun.”

GM tarkastelee nyt useita akkukennoja, jotta se voi täyttää suorituskykyvaatimukset paremmin.

Autoyritys suunnittelee myös akkuprototyyppikeskuksen rakentamista Michiganissa, joka avautuu vuonna 2027, ja voi lyhentää akkukehitykseen kuluvaa aikaa jopa vuodella.

Tällä viikolla GM raportoi Q3 2024 taloustuloksensa, jotka paljastivat, että liikevaihto neljänneksellä oli $49 miljardia, 10 % kasvu vuosi vuodelta, kun taas korjattu auton vapaa kassavirta oli $5,8 miljardia, 900 miljoonaa dollaria enemmän kuin edellisvuonna. Tänä aikana GM osti takaisin osakkeita $1 miljardin arvosta.

Yritys näki Yhdysvaltain vähittäismarkkinaosuutensa kasvavan Q3:lla, kun taas Kiinan toimintaympäristö pysyi haastavana. Takuu‑ ja korjauskustannukset nousivat myös inflaatiopaineiden vuoksi.

EV‑iden osalta yritys on tavoitteessa tuottaa 200 000 EV:tä Pohjois‑Amerikassa tänä vuonna. Edistyessään GM:n EV‑liiketoiminta pyrkii edelleen saavuttamaan kannattavuuden ja odottaa $2–4 miljardin parannusta EV‑tappioissa.

Yhteenveto

Kun puhtaan energian siirtymä kiihtyy voimakkaasti hallituksen politiikkojen, kannustimien ja teollisuusstrategioiden tukemana, maailma on siirtynyt sähköautoihin. EV‑iden nopea kasvu korostaa akkujen keskeistä roolia ja vaatii näin ollen korkeaa tehokkuutta ja turvallisuutta. Tässä elektrokemiallinen impedanssispektroskopia ja innovatiiviset akkuhallintajärjestelmät voivat auttaa tarkentamaan, miten seuraamme EV‑akkujen kuntoa, ja edistää turvallisempaa, kestävämpää EV‑käyttöä.

Kun yhä useammat tutkimukset, yritykset ja hallitukset keskittyvät EV‑akkujen diagnostiikan parantamiseen, näemme pidempikestoisempia akkuja, turvallisempia suunnitteluratkaisuja ja tehokasta energian varastointia, jotka kaikki ovat ratkaisevia EV‑iden laajamittaiselle omaksumiselle. Nämä innovaatiot voivat lisäksi auttaa saavuttamaan kunnianhimoiset globaalit ilmastotavoitteet, johtamalla puhtaampaan ja kestävämpään tulevaisuuteen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan top 10 EV‑osakkeesta, joihin kannattaa sijoittaa.