En dråpe forebygging er verdt et pund kur – Hvordan EIS brukes til å forbedre batterihelsen i elbiler

Elbiler (EV) har de siste årene oppnådd stor oppmerksomhet, drevet av det globale skiftet mot ren energi og bærekraftig transport.

Siden de produserer null utslipp fra eksos, er elbiler betydelig bedre for miljøet enn sine bensin- og dieselmotparere. Dette gjør elbiler til en nøkkelteknologi for å dekarbonisere veitrafikken, som står for omtrent en sjettedel av de globale utslippene.

De har også lavere drifts- og vedlikeholdskostnader enn forbrenningsmotorkjøretøy, noe som gjør dem langt mer effektive og rimelige.

Som følge av dette vokser populariteten og adopsjonen av elbiler betydelig, med nesten én av fem biler solgt i 2023 som elektrisk. Etter å ha passert 10 millioner i 2020, nådde antallet elektriske biler på veiene 40 millioner i fjor.

I 2023 alene var salg av elbiler nesten 14 millioner, hvor 95 % av dem var i Kina, Europa og USA. Som et resultat av denne ekspansjonen utgjør elbiler nå omtrent 20 % av alle nye bilsalg globalt, og forventes å stige mot 50 % innen 2030.

Det finnes ikke bare én type elbil, men flere typer:

• Batterielektriske kjøretøy (BEV)
• Plug‑in hybrid‑elektriske kjøretøy (PHEV)
• Hybrid‑elektriske kjøretøy (HEV)
• Brenselcelle‑elektriske kjøretøy (FCEV)

Blant disse er batteridrevne elbiler de mest vanlige, og utgjør 70 % av elbilparken i 2023.

BEV-er drives fullt ut av elektrisitet og kan lades fra eksterne kilder. De er mer effektive enn hybrid- og plug‑in hybrid‑kjøretøy.

Siden batterier er energikilden til elbiler, er de den viktigste komponenten i et elektrisk kjøretøy. Ved å erstatte forbrenningsmotorer kan batterielektriske biler betydelig redusere forurensning, bidra til integrering av fornybare kilder som vind og sol, og sikre bærekraft.

Når det gjelder elbiler, bestemmer batteriets tilstand ytelsen. Størrelsen, målt i kilowatt‑timer, viser hvor mye strøm batteriet kan lagre og hvor langt bilen kan kjøre på en enkelt lading.

Jo høyere energitetthet batteriet har, desto lengre rekkevidde per lading. I tillegg er hurtiglading avgjørende for at elbileiere skal kunne lade kjøretøyet raskt.

Nå bruker elbiler en rekke batterityper, inkludert litium‑ion, som er den mest vanlige. Blysyre er et populært valg, spesielt i USA, på grunn av kostnadseffektivitet og lang levetid, mens litium‑svovel øker den teoretiske ladekapasiteten.

I tillegg til økende miljøbevissthet og offentlige insentiver, driver fremskritt innen batteriteknologi, spesielt de som har gjort elbiler mer effektive og rimelige, adopsjonen av elektriske kjøretøy.

Derfor spiller batterier en kritisk rolle i elbiler og den bredere overgangen til ren energi, noe som gjør det viktig å ha en bedre forståelse av hvor bra de fungerer og i hvilken tilstand de er. For dette har forskere utviklet en ny teknologi som overvåker batteriets tilstand med høy presisjon for å maksimere effektiviteten og stabiliteten på lang sikt.

Teknologi for presis diagnostisering av elbilbatterier

Forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) utviklet denne nye teknologien for nøyaktig diagnostisering av tilstanden til elbilbatterier, noe som er essensielt for effektiv styring og sikker bruk, ved å bruke kun små mengder strøm.

Denne utviklingen ble kunngjort forrige uke av KAIST, som bemerket at et forskerteam ledet av professorene Sang‑Gug Lee og Kyeongha Kwon fra Elektroteknisk institutt hadde utviklet elektro‑kjemisk impedansspektroskopi (EIS)-teknologi.

Denne EIS‑teknologien kan brukes til å forbedre ytelsen og stabiliteten til høykapasitetsbatterier i elektriske kjøretøy.

Elektrokjemisk impedansspektroskopi er et kraftig verktøy som måler impedansens størrelse og endringer i et batteri, noe som gjør det mulig å evaluere batteriets effektivitet og tap.

Batteriimpedans er enkelt sagt et mål på motstanden mot strømflyt i batteriet. Denne ikke‑invasive metoden for å forebygge batterisvikt identifiserer tidlige tegn på svakhet eller forringelse og undersøker ytelse og tilstand.

Som et viktig verktøy for å vurdere batteriets ladningsnivå og helse, kan det også analysere kjemiske eller fysiske endringer, beskrive termiske egenskaper, identifisere årsakene til feil, og forutsi batteriets levetid.

Imidlertid er konvensjonelt EIS‑utstyr ikke bare dyrt, men også komplekst, noe som gjør det vanskelig å installere, betjene og vedlikeholde.

Deretter er det presisjons- og følsomhetsbegrensninger, som betyr at når vi påfører strømforstyrrelser på flere ampere på et batteri, kan det føre til betydelig elektrisk belastning. Dette øker risikoen for brann eller batterisvikt, og gjør det vanskelig å bruke i praksis.

Derfor har ingeniørteamet fra KAIST utviklet et lavstrøms‑EIS‑system for å diagnostisere tilstanden og helsen til svært effektive elbilbatterier.

Dette nye systemet kan måle batteriimpedans nøyaktig med lave strømforstyrrelser, dvs. 10 mA. Under måleprosessen minimerer den nye EIS‑teknologien termiske effekter og sikkerhetsproblemer.

En ytterligere fordel med dette systemet er at det reduserer behovet for store og kostbare komponenter. Dermed kan det enkelt integreres i kjøretøy.

Det nye EIS‑systemet har faktisk vist sin suksess i å fastslå de elektro‑kjemiske egenskapene til elbilbatterier under ulike driftsforhold. Dette inkluderer ulike temperaturer og ladningsnivåer (SOC).

Systemets enkle integrering i batteristyringssystemet (BMS) for elbiler, sammen med høy målenøyaktighet og redusert kompleksitet og kostnad sammenlignet med konvensjonelle høystrøms‑EIS‑metoder, gjør det svært gunstig for elbiler.

Ifølge korresponderende forfatter, professor Kyeongha Kwon, kan systemet også bidra til batteridiagnostikk og ytelsesforbedringer for energilagringssystemer (ESS).

Andre utviklinger innen tilstand og sikkerhet for elbilbatterier

Gitt batterienes betydning har forskere arbeidet med ulike metoder for å få en bedre forståelse av deres tilstand. Tross alt reduseres kapasiteten til elbilbatterier med omtrent 10 % etter ca. 6,5 år med jevn drift. Overlading og overutlading bidrar også til denne nedgangen.

I fjor laget et team av Michigan Engineering-forskere en formel for å diagnostisere og overvåke et batteri uten å demontere det. Formelen, som også kan brukes på andre fotoniske og elektroniske enheter, fungerer for enhver kombinasjon av batterimaterialer.

En metode forskerne bruker for å undersøke batterier er å påføre en svak vekselstrøm, lik den som kommer fra en veggkontakt men mye svakere, for å undersøke batteriet. I denne prosessen endres impedansen avhengig av frekvensen til vekselstrømmen eller hvor raskt den skifter retning.

Et sentralt mål er hvordan impedansen varierer med frekvens, oppnådd ved å skanne frekvensen fra lav til høy. For å oppnå dette må man etablere et forhold mellom batterimaterialene og deres signatur. Teamet utviklet imidlertid sin egen formel for å beskrive dette forholdet. Når impedansen er målt ved noen få frekvenser, kan formelen forutsi impedansen som en funksjon av frekvens over et bredt frekvensområde.

Ifølge teamet fungerer formelen som en måte å vise materialimpedans ved kun noen få eksperimentelle datapunkter. Den forenkler hele prosessen med å modellere strømflyt gjennom enheter laget av ulike materialer, og krever ikke forhåndskunnskap om materialets mikrostruktur.

Den kan videre bidra til å designe bedre faste elektrolytter, identifisere impedanseegenskaper i andre batterikomponenter, og bygge nøyaktige batterimodeller for å levere sikrere og mer effektiv kontroll ved lading og utlading.

På den tiden sa teamet at de planlegger å bruke formelen til å forstå og deretter designe fast‑tilstands‑elektrolytter med blandede materialer, som kan gi høyere kapasitet og bedre sikkerhet.

Fremskritt innen strukturell batteridesign, materialer og overvåkingssystemer pågår, og har forbedret sikkerhetstiltak for å forhindre interne kortslutninger og termisk løp. Forskere fokuserer i økende grad på rollen til silisium‑baserte anoder, spesielt fordeling av SiO‑partikler i anodelaget, for å oppnå høyere energitetthet samtidig som man kontrollerer negative effekter under sykluser, og dermed forbedrer sikkerhet og levetid.

Når det gjelder batteridesign og montering, blir også limmidler en kritisk komponent, som gir fordeler som forbedret ytelse ved optimalisering av den termiske grensesnittet mellom battericeller og kjølesystemer, større designfleksibilitet ved binding av ulike materialer, forbedret energistyring for sikkerhet, og kostnadsbesparelser gjennom strømlinjeforming av produksjonsprosesser.

Forskere og selskaper utnytter også AI for oppdagelse av batterimaterialer og produksjon. Selv om elbilbatteriteknologien har gjort betydelige fremskritt de siste årene, eksisterer fortsatt flere utfordringer knyttet til materialer, design, rekkevidde og batteristyringssystemer.

Batteristyringssystemet (BMS) i en elbil handler om å sikre effektivitet, sikkerhet og levetid ved å optimalisere batteriytelsen. Tradisjonelle batteriestimater av helse og ladning for å forutsi fremtidig degradering har ikke vært nøyaktige, noe som har ført til maskinlæringsalgoritmer for BMS som analyserer sanntidsdata for presise estimater av batteriets tilstand (SOH) og ladningsnivå (SOC). BMS bruker deretter disse estimatene til å optimalisere batteriytelsen.

Det globale markedet for produksjon og testing av elbilbatterier er faktisk et raskt voksende, og ble vurdert til 1,9 milliarder dollar i 2023. Dette markedet forventes å vokse med en CAGR på over 17,6 % i de neste åtte årene og nå 7,8 milliarder dollar innen 2032.

Denne veksten drives av økende adopsjon av elbiler og påfølgende batteriproduksjon, teknologiske fremskritt innen batterikjemi, batterisikkerhet og pålitelighetskrav, samt økt fokus på bærekraft og reduksjon av karbonutslipp.

For noen måneder siden kunngjorde USAs energidepartement (DOE) også en finansiering på 43 millioner dollar for prosjekter som vil fremme forskning, utvikling og utrulling innen kritiske batteriområder. Målet med initiativet er å drive innovasjon i lavkostnadsproduksjon av elbilbatterier, redusere feil, forbedre batterisikkerhet, og styrke den innenlandske forsyningskjeden for batterimaterialer.

Dette er i tråd med USAs nasjonale plan for dekarbonisering av transport, som har som mål å fjerne alle utslipp fra transportsektoren innen 2050 ved å fremme batteriteknologier som driver sikre og effektive nullutslipps‑elbiler.

Selskaper som hjelper med å fremme styring av elbilbatterier

La oss nå se på selskaper som arbeider i skjæringspunktet mellom teknologi for elbilbatterihelse, BMS‑systemer og EIS‑fremskritt, som alle er avgjørende for å opprettholde elbilmarkedet og optimalisere batterilevetid og sikkerhet.

Elon Musks Tesla (TSLA ) er blant de mest fremtredende, og er sterkt investert i høy‑kapasitets‑ og lang‑levetidsbatterier for elbiler. Med Tesla-aksjene opp 4,83 % i år, er markedsverdien nå på 830,7 milliarder dollar.

Deretter er det QuantumScape Corporation med en markedsverdi på 3,24 milliarder dollar QuantumScape Corporation (QS ), som utvikler fast‑tilstands litium‑metallbatterier for elbiler, mens Enovix Corporation med en markedsverdi på 1,9 milliarder dollar Enovix Corporation (ENVX ) utvikler avanserte silisium‑anode litium‑ion‑batterier. Albemarle Corporation med en markedsverdi på 11,18 milliarder dollar Albemarle Corporation (ALB ) er en ledende litiumprodusent og er involvert i forbedring av batterieffektivitet og sikkerhet. Aksjene til QS, ALB og ALB er ned 6,47 %, 34,14 % og 13,14 % i år, henholdsvis.

Analog Devices (ADI ) er et selskap verdt 114 milliarder dollar, med aksjer opp 15,67 % år‑til‑dato. Samtidig leverer de batteristyringssystem‑løsninger (BMS) for elbilbatterier.

General Motors Company

Den 59,2 milliarder dollar store bilgiganten har opplevd en fin oppgang i år. Med litt over to måneder igjen av 2024, har GM-aksjekursen 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 utbytteavkastning på 0,91 %.

General Motors (GM ) er involvert i design, bygging og salg av biler, lastebiler og bildeler, i tillegg til å tilby programvarebaserte tjenester. De er også pionerer innen batteriteknologi, sikkerhet og ytelse for sin elbilflåte gjennom Ultium-plattformen.

Ultium ble først lansert i 2020, og administrerende direktør Mary Barra kalte det:

“En flermerke, flersegment elbilstrategi med stordriftsfordeler som kan måle seg med vår fullstørrelses lastebilvirksomhet, med mye mindre kompleksitet og enda mer fleksibilitet.”

Under et nylig møte kunngjorde Barra at Ultium‑batterimerket nå fases ut, men uttalte at elbilsalget vil forbedres. GMs elbilutvalg inkluderer Chevy Equinox og Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq og Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GMs visepresident for battericeller, anerkjente likevel viktigheten av Ultium i å hjelpe med lanseringen av det brede spekteret av helt nye elbilmodeller, og bemerket:

“(Selskapets) overgang fra én størrelse passer alle til nye programspesifikke batterier.”

GM ser nå på flere batterikjemier for å kunne møte ytelseskravene bedre.

Bilprodusenten planlegger også å bygge et batteriprototypingsenter i Michigan som åpner i 2027, noe som kan redusere utviklingstiden for batterier med opptil ett år.

Denne uken rapporterte GM sine tall for Q3 2024, som viste at inntektene for kvartalet var 49 milliarder dollar, opp 10 % år‑over‑år, mens justert fri kontantstrøm fra bilvirksomheten var 5,8 milliarder dollar, en økning på 900 millioner dollar sammenlignet med i fjor. I denne perioden kjøpte GM for 1 milliard dollar i aksjer.

Selskapet så sin detaljhandelsmarkedsandel i USA vokse i Q3, mens driftsmiljøet i Kina forble utfordrende. Garantikostnadene økte også på grunn av inflasjonstrykk.

Når det gjelder elbiler, er selskapet på vei til å produsere 200 000 elbiler i Nord-Amerika i år. Selv om de gjør fremskritt, jobber GMs elbilvirksomhet fortsatt med å oppnå lønnsomhet og forventer en forbedring på 2‑4 milliarder dollar i EV‑tap.

Konklusjon

Etter hvert som overgangen til ren energi akselererer kraftig, støttet av offentlige politikker, insentiver og industrielle strategier, har verden skiftet til elbiler. Den raske veksten av elbiler understreker batterienes essensielle rolle og krever høy effektivitet og sikkerhet. Her kan teknologier som elektro‑kjemisk impedansspektroskopi og innovative batteristyringssystemer bidra til å forbedre hvordan vi overvåker elbilbatteriers helse og fremme tryggere, mer bærekraftig bruk av elbiler.

Etter hvert som flere studier, selskaper og myndigheter fokuserer på å forbedre diagnostikk av elbilbatterier, vil vi se batterier med lengre levetid, tryggere design og effektiv energilagring, som alle er avgjørende for at elbiler skal oppnå bred aksept. Disse innovasjonene kan ytterligere bidra til å nå ambisiøse globale klimamål, og føre til en renere, mer bærekraftig fremtid.

Klikk her for en liste over de 10 beste elbilaksjene å investere i.