Een ons preventie is het gewicht van een pond genezing – Hoe EIS wordt gebruikt om de batterijgezondheid in elektrische voertuigen te verbeteren

Elektrische voertuigen (EV's) hebben de afgelopen jaren veel tractie gewonnen, gedreven door de wereldwijde verschuiving naar schone energie en duurzame mobiliteit.

Aangezien ze geen uitlaatgassen produceren, zijn EV's aanzienlijk beter voor het milieu dan hun benzine‑ en dieselvarianten. Dit maakt EV's een sleuteltechnologie voor het decarboniseren van wegtransport, dat verantwoordelijk is voor ongeveer een zesde van de wereldwijde emissies.

Ze hebben bovendien lagere operationele en onderhoudskosten dan voertuigen met een verbrandingsmotor, waardoor ze veel efficiënter en betaalbaarder zijn.

Met die voordelen groeit de populariteit en adoptie van EV's sterk, bijna één op de vijf verkochte auto’s in 2023 was elektrisch. Na de 10‑miljoen‑grens te hebben gepasseerd in 2020, bereikte het aantal elektrische auto’s op de weg vorig jaar 40 miljoen.

Alleen al in 2023 werden bijna 14 miljoen elektrische auto’s verkocht, waarvan 95 % in China, Europa en de VS. Door deze expansie vormen EV's nu ongeveer 20 % van alle nieuwe autoverkopen wereldwijd, en wordt verwacht dat dit tegen 2030 zal stijgen naar 50 %.

Er is niet slechts één type EV; er zijn verschillende soorten:

• Battery Electric Vehicles (BEV's)
• Plug‑In Hybrid Electric Vehicles (PHEV's)
• Hybrid Electric Vehicles (HEV's)
• Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV's)

Onder deze categorieën zijn batterij‑aangedreven EV's het meest voorkomend, goed voor 70 % van de elektrische autostock in 2023.

BEV's worden volledig aangedreven door elektriciteit en kunnen worden opgeladen via externe bronnen. Ze zijn efficiënter dan hybride en plug‑in hybride voertuigen.

Aangezien batterijen de energiebron van EV's vormen, zijn ze het belangrijkste onderdeel van een elektrisch voertuig. Door verbrandingsmotoren te vervangen, kunnen batterij‑EV's de vervuiling aanzienlijk verminderen, de integratie van hernieuwbare bronnen zoals wind en zon bevorderen en duurzaamheid waarborgen.

Bij EV's bepaalt de conditie van de batterijen hun prestaties. De grootte, gemeten in kilowattuur, geeft aan hoeveel elektriciteit de batterij kan opslaan en hoe ver de elektrische auto kan rijden op één lading.

Hoe hoger de energiedichtheid van de batterij, hoe groter de actieradius per lading. Daarnaast is snel opladen essentieel om EV‑eigenaren hun voertuigen snel te laten bijtanken.

Tegenwoordig gebruiken EV's verschillende soorten batterijen, waaronder lithium‑ion, de meest gangbare. Loodzuur‑batterijen zijn populair, vooral in de VS, vanwege hun kostenefficiëntie en lange levensduur, terwijl lithium‑zwavel een theoretisch hogere laadcapaciteit biedt.

Naast de groeiende milieubewustheid en overheidsstimuli, drijven vooruitgangen in batterijtechnologie, die EV's efficiënter en betaalbaarder maken, de adoptie van elektrische voertuigen.

Daarom spelen batterijen een cruciale rol in EV's en de bredere transitie naar schone energie, wat het noodzakelijk maakt om beter inzicht te krijgen in hun prestaties en staat. Hiervoor hebben onderzoekers een nieuwe technologie ontwikkeld die de staat van batterijen met hoge precisie monitort om hun efficiëntie en stabiliteit op de lange termijn te maximaliseren.

Technology for the Precise Diagnosis of EV Batteries

Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hebben deze nieuwe technologie ontwikkeld voor een nauwkeurige diagnose van de staat van EV‑batterijen, essentieel voor efficiënt beheer en veilig gebruik, met slechts kleine stroomstoten.

Deze ontwikkeling werd aangekondigd vorige week door KAIST, dat meldde dat een team onder leiding van professoren Sang‑Gug Lee en Kyeongha Kwon van de School of Electrical Engineering elektrochimische impedantie‑spectroscopie (EIS) heeft gebouwd.

Deze EIS‑technologie kan worden ingezet om de prestaties en stabiliteit van hoog‑capaciteitsbatterijen in elektrische voertuigen te verbeteren.

Elektrochimische impedantie‑spectroscopie is een krachtig instrument dat de impedantiegrootte en veranderingen in een batterij meet, waardoor de efficiëntie en verlies van de batterij kunnen worden geëvalueerd.

Batterij‑impedantie is simpelweg een maat voor de weerstand tegen stroomdoorvoer binnen de batterij. Deze niet‑invasieve methode om batterij‑falen te voorkomen identificeert vroegtijdige tekenen van zwakte of degradatie en onderzoekt de prestaties en conditie.

Het is een belangrijk instrument voor het beoordelen van de laadstatus en gezondheid van de batterij; het kan ook chemische of fysieke veranderingen analyseren, thermische kenmerken beschrijven, de oorzaken van storingen lokaliseren en de levensduur van de batterij voorspellen.

Echter, conventionele EIS‑apparatuur is niet alleen duur, maar ook complex, waardoor installatie, bediening en onderhoud moeilijk zijn.

Daarbij komen beperkingen in precisie en gevoeligheid; wanneer we stroomverstoringen van enkele ampères op een batterij toepassen, kan dit leiden tot aanzienlijke elektrische stress. Dit vergroot het risico op brand of batterij‑falen, waardoor het in de praktijk moeilijk toepasbaar is.

Om al deze problemen aan te pakken, heeft het engineeringteam van KAIST een low‑current EIS‑systeem gecreëerd om de conditie en gezondheid van zeer efficiënte EV‑batterijen te diagnosticeren.

Dit nieuwe systeem kan batterij‑impedantie nauwkeurig meten met lage stroomverstoringen, namelijk 10 mA. Tijdens het meetproces minimaliseert de nieuwe EIS‑technologie thermische effecten en veiligheidsrisico's.

Een bijkomend voordeel is dat het de behoefte aan omvangrijke en dure componenten vermindert, waardoor integratie in voertuigen eenvoudig is.

Het nieuwe EIS‑systeem heeft daadwerkelijk succes aangetoond bij het bepalen van de elektrochemische eigenschappen van EV‑batterijen onder verschillende bedrijfsomstandigheden, inclusief diverse temperaturen en laadstatus (SOC) niveaus.

De gemakkelijke integratie in het Battery Management System (BMS) van EV's, gecombineerd met hoge meetnauwkeurigheid en verminderde complexiteit en kosten ten opzichte van conventionele high‑current EIS‑methoden, maakt het bijzonder voordelig voor EV's.

Volgens corresponderend auteur professor Kyeongha Kwon kan het systeem ook bijdragen aan batterijdiagnose en prestatieverbeteringen voor energieopslagsystemen (ESS).

Other Developments in EV Battery Condition & Safety

Gezien het belang van batterijen, werken onderzoekers aan verschillende manieren om beter inzicht te krijgen in hun conditie. Uiteindelijk daalt de capaciteit van EV‑batterijen ongeveer 10 % in circa 6,5 jaar bij continu gebruik. Overladen en overontladen dragen eveneens bij aan deze achteruitgang.

Vorig jaar heeft een team van onderzoekers van Michigan Engineering een formule ontwikkeld om een batterij te diagnosticeren en te monitoren zonder deze te demonteren. De formule, die ook toepasbaar is op andere fotonische en elektronische apparaten, werkt voor elke combinatie van batterijmaterialen.

Een methode die onderzoekers gebruiken om batterijen te onderzoeken, is het toepassen van een zwakke wisselstroom, vergelijkbaar met wat uit een stopcontact komt maar veel zwakker, om de batterij te onderzoeken. In dit proces verandert de impedantie afhankelijk van de frequentie van de wisselstroom of hoe snel de stroom van richting verandert.

Een belangrijke maat is hoe de impedantie varieert met frequentie, verkregen door de frequentie van laag naar hoog te sweepen. Hiervoor moet een relatie worden opgebouwd tussen de batterijmaterialen en hun signatuur. Het team heeft echter een eigen formule bedacht om die relatie te beschrijven. Zodra de impedantie bij enkele frequenties is gemeten, kan de formule de impedantie voorspellen als functie van frequentie over een breed frequentiebereik.

Volgens het team dient de formule als een manier om materiaalimpendantie te tonen met slechts een paar experimentele datapunten. Het vereenvoudigt het volledige proces van modellering van de elektriciteitsstroom door apparaten die uit verschillende materialen bestaan en vereist geen voorafgaande kennis van de microstructuur van het materiaal.

Het kan verder helpen bij het ontwerpen van betere vaste elektrolyten, het identificeren van impedantie‑kenmerken van andere batterijcomponenten, en het bouwen van nauwkeurige batterijomodellen om veiliger en efficiënter te kunnen sturen tijdens het laden en ontladen.

Destijds zei het team dat ze de formule willen gebruiken om vaste‑stroom elektrolyten met gemengde materialen te begrijpen en vervolgens te ontwerpen, wat hogere capaciteit en betere veiligheid kan bieden.

Vooruitgang in structureel batterijontwerp, materialen en monitoringsystemen gaat door, waardoor veiligheidsmaatregelen zijn verbeterd om interne kortsluitingen en thermische runaway te voorkomen. Hiervoor richten onderzoekers zich steeds meer op de rol van silicium‑gebaseerde anodes, met name de SiO‑deeltjesverdeling binnen de anodelag, om een hogere energiedichtheid te bereiken terwijl nadelige effecten tijdens cyclussen worden beheerst, wat de veiligheid en levensduur verbetert.

Bij batterijontwerp en -assemblage komen lijmen ook steeds meer naar voren als cruciaal onderdeel, met voordelen zoals verbeterde prestaties door optimalisatie van de thermische interface tussen batterijcellen en koelsystemen, grotere ontwerpmogelijkheden door het binden van diverse materialen, verbeterd energiebeheer voor veiligheid, en kostenbesparingen door het stroomlijnen van productieprocessen.

Onderzoekers en bedrijven maken ook gebruik van AI voor de ontdekking van batterijmaterialen en productie. Hoewel de EV‑batterijtechnologie de afgelopen jaren aanzienlijk is gevorderd, bestaan er nog diverse uitdagingen op het gebied van materiaal, ontwerp, actieradius en batterij‑beheersystemen.

Het Battery Management System (BMS) in een EV draait om efficiëntie, veiligheid en levensduur door de batterijprestaties te optimaliseren. Traditionele schattingen van de gezondheid en lading van de batterij om toekomstige degradatie te voorspellen waren niet accuraat, wat heeft geleid tot ML‑algoritmen voor BMS die realtime data analyseren voor precieze schattingen van State of Health (SOH) en State of Charge (SOC). Het BMS gebruikt vervolgens deze schattingen om de batterijprestaties te optimaliseren.

De wereldwijde markt voor EV‑batterijvorming en -testing is feitelijk een snelgroeiende markt, die in 2023 werd gewaardeerd op $1,9 miljard. Deze markt wordt naar verwachting in de komende acht jaar met een CAGR van meer dan 17,6 % groeien tot $7,8 miljard in 2032.

Deze groei wordt gedreven door de stijgende adoptie van EV's en de daarmee gepaard gaande batterijproductie, technologische vooruitgang in batterijchemie, veiligheid en betrouwbaarheid, en een toenemende focus op duurzaamheid en het verminderen van CO₂‑emissies.

Enkele maanden geleden kondigde het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ook $43 miljoen aan financiering aan voor projecten die onderzoek, ontwikkeling en implementatie in kritieke batterijgebieden zullen bevorderen. Het doel van het initiatief is innovatie in goedkope EV‑batterijproductie, het verminderen van storingen, het verbeteren van batterijveiligheid en het versterken van de binnenlandse toeleveringsketen van batterijmaterialen.

Dit sluit aan bij de Amerikaanse National Blueprint for Transportation Decarbonization, die erop gericht is om tegen 2050 alle emissies uit de transportsector te elimineren door batterijtechnologieën te ontwikkelen die veilige en efficiënte emissievrije EV's mogelijk maken.

Companies Helping Advance EV Battery Management

Elon Musk's Tesla (TSLA ) behoort tot de meest prominente, en is sterk geïnvesteerd in hoog‑capaciteits‑ en lange‑levensduur‑batterijen voor EV's. Met een stijging van 4,83 % in het aandeel dit jaar, bedraagt de marktkapitalisatie momenteel $830,7 miljard.

Daarna is er de $3,24 miljard marktkapitalisatie QuantumScape Corporation (QS ), die vaste‑stroom lithium‑metaalbatterijen voor EV's ontwikkelt, terwijl de $1,9 miljard marktkapitalisatie Enovix Corporation (ENVX ) geavanceerde lithium‑ionbatterijen met silicium‑anodes ontwikkelt. De $11,18 miljard marktkapitalisatie Albemarle Corporation (ALB ) is een toonaangevende lithiumproducent en werkt aan het verbeteren van batterij‑efficiëntie en -veiligheid. De aandelen van QS, ALB en ALB zijn dit jaar respectievelijk met 6,47 %, 34,14 % en 13,14 % gedaald.

Analog Devices (ADI ) is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $114 miljard en een stijging van 15,67 % YTD. Tegelijkertijd levert het BMS‑oplossingen voor EV‑batterijen.

Nu nemen we een dieper kijkje naar een ander gerelateerd bedrijf dat dit jaar goed presteert.

General Motors Company

De $59,2 miljard marktkapitalisatie van de automobielgigant heeft dit jaar een mooie stijging doorgemaakt. Met iets meer dan twee maanden tot het einde van 2024 is de GM‑prijs met 46,77 % gestegen en wordt verhandeld tegen $52,9. Het heeft een EPS (TTM) van 9,37 en een P/E‑ratio (TTM) van 5,63, naast een dividendrendement van 0,91 %.

General Motors (GM ) is betrokken bij het ontwerpen, bouwen en verkopen van auto’s, vrachtwagens en auto‑onderdelen, naast het leveren van software‑gebaseerde diensten. Het bedrijf loopt ook voorop in de ontwikkeling van batterijtechnologie, veiligheid en prestaties voor zijn EV‑vloot via het Ultium‑platform.

Ultium werd voor het eerst geïntroduceerd in 2020, en de CEO, Mary Barra, noemde het:

“Een multi‑brand, multi‑segment EV‑strategie met schaalvoordelen die ons full‑size truck‑bedrijf evenaart, met veel minder complexiteit en nog meer flexibiliteit.”

Tijdens een recente bijeenkomst kondigde Barra aan dat het Ultium‑batterijmerk nu wordt uitgefaseerd, maar stelde dat de EV‑verkopen zullen verbeteren. De EV‑lijn van GM omvat de Chevy Equinox en Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq en Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, vice‑president van GM voor de batterijcel, erkende echter het belang van Ultium bij het lanceren van een breed scala aan volledig nieuwe EV‑modellen, en merkte op:

“(Het bedrijf) maakt de overgang van één‑grootte‑past‑bij‑alle naar nieuwe programma‑specifieke batterijen.”

GM richt zich nu op verschillende batterijchemieën om beter te kunnen voldoen aan prestatie‑eisen.

Het automobielbedrijf plant ook een batterij‑prototype‑centrum in Michigan te bouwen dat in 2027 zal openen, wat de ontwikkeltijd van batterijen met tot wel een jaar kan verkorten.

Deze week rapporteerde GM zijn financiële resultaten voor Q3 2024, waaruit bleek dat de omzet voor het kwartaal $49 miljard bedroeg, een stijging van 10 % YoY, terwijl de aangepaste automotive free cash flow $5,8 miljard was, een toename van $900 miljoen ten opzichte van vorig jaar. In deze periode voerde GM aandeleninkoop uit ter waarde van $1 miljard.

Het bedrijf zag zijn detailhandels‑marktaandeel in de VS groeien in Q3, terwijl de operationele omgeving in China uitdagend bleef. De garantie‑kosten stegen ook door inflatiedruk.

Wat betreft EV‑productie, is het bedrijf op koers om dit jaar 200.000 EV’s in Noord‑America te produceren. Terwijl het vordert, werkt GM’s EV‑business nog aan winstgevendheid en verwacht een verbetering van $2 miljard tot $4 miljard in EV‑verliezen.

Conclusion

Naarmate de transitie naar schone energie versnelt, ondersteund door overheidsbeleid, stimulansen en industriële strategieën, heeft de wereld zich verplaatst naar elektrische voertuigen. De snelle groei van EV's benadrukt de essentiële rol van batterijen en vraagt daarom om hoge efficiëntie en veiligheid. Technologieën zoals elektrochimische impedantie‑spectroscopie en innovatieve batterij‑beheersystemen kunnen helpen bij het verfijnen van de monitoring van EV‑batterijgezondheid en bijdragen aan veiliger, duurzamer EV‑gebruik.

Naarmate meer studies, bedrijven en overheden zich richten op het verbeteren van EV‑batterijdiagnostiek, zullen we batterijen zien die langer meegaan, veiliger ontworpen zijn en efficiënter energie opslaan, allemaal cruciaal voor de massale adoptie van EV's. Deze innovaties kunnen bovendien helpen de ambitieuze wereldwijde klimaatdoelstellingen te bereiken, wat leidt tot een schonere, duurzamere toekomst.

Klik hier voor een lijst van de top 10 EV‑aandelen om in te investeren.