Kan elbiler for kaldt klima bli et kjøretøyalternativ?

EV-adopsjonsrate avtar

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.

Til tross for disse begrensningene ser vi at EV-adopsjonsraten er høy i land som Norge (72 % elbil og 14 % hybrider), noe som indikerer en sterk vilje i befolkningen til å gå over til elbiler.

Kilde: Roland Berger

Like saken med Norges naboer kan indikere at uten massive subsidier lik de norske, kan adopsjonen plateausere under 50 % i regionen.

Hvis batterisystemer forbedrer ytelsen i kulde, kan regionen og andre lignende land bli blant de første som når 100 % BEV (batterielektriske kjøretøy).

Inntil nå har hovedhåpet om å forbedre ytelsen i lave temperaturer vært basert på natrium‑ion‑batterier, spesielt med solid fremgang gjort av den kinesiske selskapet CATL (følg lenken for den tilsvarende rapporten). Men et nytt konsept kan åpne veien for litium‑ion‑batterier som er spesifikt tilpasset kalde forhold.

Det ble undersøkt av kinesiske forskere ved Donghua University (Kina), Fudan University, Qingdao University og Inner Mongolia University. De publiserte nylig resultatet i Angewandte Chemie under tittelen “Negativ termisk ekspansjonsatferd som muliggjør god elektro‑kjemisk energilagringsytelse ved lave temperaturer¹”.

Litium‑ion‑batteriers problemer i kulde

Litium‑ion‑batterier er fortsatt den mest kraftfulle og energitetthetsrike formen for batterier som er tilgjengelige i dag i den skalaen som kreves for elbiler. Dette kan endre seg i fremtiden med solid‑state‑batterier. Eller kanskje forbedrede litium‑ion‑batterier som honeycomb‑batterier vil være like effektive som solid‑state‑teknologier.

Men i begge tilfeller vedvarer problemet med ytelse i kaldt vær. Årsaken er at kaldt vær, spesielt under frysepunktet, reduserer diffusjonen av litiumioner i elektrodematerialet. Inntil nå har dette blitt betraktet som en grunnleggende begrensning av teknologien, drevet av fysikken i hvordan litium‑ion reagerer ved lave temperaturer.

De eneste alternativene i elbiler har vært å bruke batteriets energi til å holde det varmt (som sløser med kraft) eller installere store nok batteripakker slik at rekkeviddetapet er akseptabelt for brukeren. I hvert fall inntil nå.

Negativ termisk ekspansjon (NTE) elektroder

Hovedkonseptet forskerne bruker er en egenskap kalt negativ termisk ekspansjon for elektrodmaterialet, eller NTE. Dette er materialer som utvider seg når de kjøles ned, i motsatt retning av de fleste materialer, spesielt metaller.

Et eksempel i hverdagen er vann, som utvider seg når det fryser, noe som gjør is mindre tett enn flytende vann.

Testene ble utført med litium‑titan‑fosfat LiTi2(PO4)3, eller «LTP».

LTP

Dette materialet består av en krystallstruktur som danner et 3D‑gitter av TiO6‑oktaedre og PO4‑tetraedre. Dette skaper en åpen, fleksibel struktur som inneholder både «hulrom» og «kanaler», hvor litiumioner kan plassere seg.

Kilde: Angewandte Chemie

Når den kjøles ned, strekkes den krystallinske strukturen langs en av sine krystallaksene. Dette øker avstanden mellom oksygenatomer, og utvider hulrommene i gitteret.

Det større rommet i kalde krystaller letter lagring og transport av litiumionene.

Sterk ytelse i kulde

Den økende størrelsen på hulrommene eliminerer ikke helt den lavere mobiliteten til litiumioner, men det hjelper betydelig. Forskerne fant at ved –10 °C var diffusjonsraten til litiumioner fortsatt på 84 % av verdien som ble oppnådd ved 25 °C. De testet også hvor effektiv og stabil en slik batteri ville være.

Elektrokjemiske tester på karbonbelagt LTP ved –10 °C viste god elektrokjemisk ytelse med høy kapasitet og høy ratekapasitet. Batteriets holdbarhet var også høy, uten betydelig nedbrytning av beholdningskapasiteten over 1000 lade-/utladningssykluser (96,8 % kapasitetstilbakeholdning).

Fremtidige anvendelser

Denne nye typen elektrode må undersøkes for sitt potensial i skreddersydde elbiler for kaldt klima.

Dette vil sannsynligvis bli et krav for elbiler som må operere i regioner med harde vintre, som Canada, Skandinavia, Russland, fjellområder osv. Minst for å bli standard, og ikke bare et ekstra kjøretøy for velstående førere.

Det er også mulig at andre materialer med negativ termisk ekspansjon eksisterer og viser enda bedre elektrokjemiske egenskaper. Så mest sannsynlig vil mer forskning være nødvendig for å finne det ideelle elektrodmaterialet for kaldt vær.

På lang sikt kan slik teknologi også ha viktige anvendelser i romutforskning, med kjøretøy og energilagringssystemer som opererer i bane, på Månen eller Mars, som sannsynligvis vil kreve sterk ytelse selv i brutalt kalde miljøer.

Investere i avanserte batteriteknologier

Batterier står i sentrum av elektrifiseringstrenden, som i seg selv er et stort fler-billion‑dollar‑prosjekt som søker å fjerne fossilt brensel fra våre energikilder.

Du kan investere i batterirelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan her, på securities.io, finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke batteriselskaper, kan du også se på batteri‑ETF‑er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X sin Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av den voksende batteribransjen.

CATL (300750.SZ)

Som diskutert er CATL en teknologisk leder med avanserte honeycomb‑litium‑ion‑batterier og natrium‑ion‑design.

Selskapet er den globale lederen innen batteriproduksjon, og produserer mer enn halvparten av den globale batterivolumet. Det er tilstede i hvert trinn av leverandørkjeden for batteriproduksjon.

Dette gjelder litium‑ion‑batterier, hvor selskapet har vært en veletablert leder i lang tid. Det er også sterkt innen LFP (litium‑jern‑fosfat) batteri, med det nylig kunngjorte forbedrede designet som kan legge til 600 km rekkevidde på kun 10 minutter. Totalt kan kjørelengden bli over 1 000 km (600 miles), og fjerne all «rekkeviddeangst» for fremtidige elbileiere.

Parallelt har CATL også tidligere kunngjort imponerende fremgang på mange batterityper:

• A 12 000‑sykluser ultra‑lang‑levetid batteri for energilagring i stor skala, med 18 000 sykluser som langsiktig mål.
• Et batteri med en energitetthet på 500 Wh/kg, som potensielt kan muliggjøre elektrifisering av passasjerfly
• Masseproduksjon av 160 Wh/kg natrium‑ion‑batterier, med mål om 200 Wh/kg.

Kilde: CATL

CATL har investert 3,25 milliarder i batterigjenvinningskapasitet i Kina. Det har spesielt oppnådd en bemerkelsesverdig gjenvinningsgrad på 99,6 % for nikkel, kobolt, mangan, og 91 % for litium.

Takket være sin skala, fokus og FoU‑resultater, er CATL sannsynligvis i frontlinjen for batteriinovasjon, produksjon og gjenvinning.

Dette gjør selskapet til en nøkkelpartner for elbilprodusenter, inkludert Tesla, NIO, Ford, Stellantis osv., med Hyundai nylig lagt til i CATLs voksende liste over strategiske allianser.

I tillegg kan lærdommen fra én kjemi være anvendbar på en annen. Så oppdagelsen som diskuteres i denne artikkelen kan være opphavet til overraskende kombinasjoner, for eksempel kan vi forestille oss noen nye idéer:

• Negativ termisk ekspansjon elektrode bygget med en honeycomb‑struktur.
• Anvendelse av negativ termisk ekspansjon på natrium‑ion‑teknologi for å lage det ultimate kulde‑resistente batteriet.
• Bruk av negativ termisk ekspansjon i CATLs ultra‑stabile batterier for stor‑skala energilagring, for å erobre markedet for strømnettet i kalde land.

Økonomiene i skala fra allerede å produsere halvparten av verdens batterier er også sannsynligvis anvendbare på hele selskapet, uavhengig av hvilken spesifikk teknologi som brukes i et enkelt produkt.

Så jo mer fremgang som gjøres innen batteriteknologi generelt, jo mer sannsynlig er det at CATL kan integrere den i sine eksisterende design, skape større etterspørsel, som igjen øker skalaøkonomiene ytterligere, i en positiv tilbakemeldingssløyfe.

Til slutt bør investorer være klar over den økende splittelsen mellom USA og Kina, med CATL som en potensiell kollateral offer. Det har blitt lagt til på US Department of Defense sin liste over kinesiske militærbedrifter (CMC).

CATL sa i en uttalelse at de aldri har vært involvert i noen militærrelaterte virksomheter eller aktiviteter, og at deres tillegg til CMC‑listen var «en feil».

Selskapet bemerket at de ikke forventer noen vesentlig negativ påvirkning på virksomheten, og at de samarbeider med US Department of Defense for å løse situasjonen, inkludert juridisk handling om nødvendig.

Fast Market

Denne bestemmelsen pålegger ingen umiddelbare sanksjoner på CATL eller andre selskaper på listen, men kan fortsatt påvirke aksjekursen og CATLs fremtidige eksport til vestlige markeder.

(Du kan også lese vår lengre rapport fra september 2024, helt dedikert til CATL, for en dypere innsikt i selskapets historie og teknologi).

Studierreferanse:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negativ termisk ekspansjonsatferd som muliggjør god elektro‑kjemisk energilagringsytelse ved lave temperaturer. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}