En uns förebyggande är värd ett pund bot – Hur EIS används för att förbättra batterihälsa i elbilar

Elbilar (EVs) har fått mycket uppmärksamhet de senaste åren, drivet av den globala övergången till ren energi och hållbara transporter.

Eftersom de producerar noll utsläpp från avgasröret är EVs avsevärt bättre för miljön än deras bensin- och dieselmotsvarigheter. Detta gör elbilar till en nyckelteknologi för att avkarbonisera vägtransport, som står för ungefär en sjättedel av de globala utsläppen.

De har också lägre drifts- och underhållskostnader än förbränningsmotorfordon, vilket gör dem mycket mer effektiva och prisvärda.

Med detta växer populariteten och antagandet av elbilar kraftigt, med nästan en av fem bilar som såldes 2023 som var elektriska. Efter att ha passerat 10 miljonersgränsen år 2020 nådde antalet elbilar på vägarna 40 miljoner förra året.

Endast 2023 var försäljningen av elbilar nästan 14 miljoner, varav 95 % låg i Kina, Europa och USA. Som ett resultat av denna expansion står elbilar för cirka 20 % av alla nya bilförsäljningar globalt, vilket förväntas stiga till omkring 50 % år 2030.

Det finns inte bara en typ av elbil, utan flera typer:

• Batterielektriska fordon (BEV)
• Plug‑in hybridfordon (PHEV)
• Hybridfordon (HEV)
• Bränslecellsfordon (FCEV)

BEV:er drivs helt av elektricitet och kan laddas från externa källor. De är mer effektiva än hybrid- och plug‑in hybridfordon.

Eftersom batterier är energikällan för elbilar är de den viktigaste komponenten i ett elfordon. Genom att ersätta förbränningsmotorer kan batterielektriska fordon avsevärt minska föroreningar, hjälpa till att integrera förnybara källor som vind och sol samt säkerställa hållbarhet.

När det gäller elbilar avgör batteriets skick deras prestanda. Storleken, som mäts i kilowattimmar, visar hur mycket elektricitet batteriet kan lagra och hur långt bilen kan köra på en enda laddning.

Ju högre energitäthet batteriet har, desto längre räckvidd per laddning. Snabbladdning är också avgörande för att låta elbilsägare ladda sina fordon snabbt.

Idag använder elbilar en mängd olika batterier, inklusive litium‑jon, som är den vanligaste. Bly‑syra är ett populärt val, särskilt i USA, på grund av kostnadseffektivitet och lång livslängd, medan litium‑svavel ökar den teoretiska laddningskapaciteten.

Förutom den ökande miljömedvetenheten och statliga incitament driver framsteg inom batteriteknik, särskilt de som gjort elbilar mer effektiva och prisvärda, antagandet av elfordon.

Så batterier spelar en kritisk roll i elbilar och den bredare övergången till ren energi, vilket gör det nödvändigt att ha en bättre uppfattning om hur de presterar och i vilket skick de är. För detta har forskare utvecklat en ny teknik som övervakar batteriers tillstånd med hög precision för att maximera deras effektivitet och stabilitet på lång sikt.

Teknik för exakt diagnostik av EV‑batterier

Forskare från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) utvecklade denna nya teknik för exakt diagnostik av EV‑batteriers tillstånd, vilket är avgörande för deras effektiva hantering och säkra användning, med endast små strömmängder.

Denna utveckling annonserades förra veckan av KAIST, som noterade att ett forskarteam lett av professorerna Sang‑Gug Lee och Kyeongha Kwon från Institutionen för elektroteknik hade byggt elektro‑kemisk impedansspektroskopi (EIS)-teknik.

Denna EIS‑teknik kan användas för att förbättra prestanda och stabilitet hos högkapacitetsbatterier i elfordon.

Elektrokemisk impedansspektroskopi är ett kraftfullt verktyg som mäter impedansens storlek och förändringar i ett batteri, vilket möjliggör utvärdering av batteriets effektivitet och förluster.

Batteriimpedans är helt enkelt ett mått på motståndet mot strömflöde inom batteriet. Detta icke‑intrusiva sätt att förhindra batterifel innebär att tidiga tecken på svaghet eller försämring identifieras och dess prestanda och skick undersöks.

Som ett viktigt verktyg för att bedöma batteriets laddningsnivå och hälsa kan det också analysera kemiska eller fysiska förändringar, beskriva termiska egenskaper, identifiera vad som orsakar fel och förutsäga batteriets livslängd.

Dock är konventionell EIS‑utrustning inte bara dyr utan också komplex, vilket gör den svår att installera, driva och underhålla.

Sedan finns frågan om precision‑ och känslighetsbegränsningar, vilket innebär att när vi applicerar strömstörningar på flera ampere på ett batteri kan det leda till betydande elektrisk stress. Detta ökar i sin tur risken för brand eller batterifel, vilket gör det svårt att använda i praktiken.

För att lösa alla dessa problem skapade ingenjörsteamet från KAIST ett lågström‑EIS‑system för att diagnostisera tillståndet och hälsan hos högpresterande EV‑batterier.

Detta nya system kan mäta batteriimpedans exakt med låga strömstörningar, dvs. 10 mA. Under mätprocessen minimerar den nya EIS‑tekniken termiska effekter och säkerhetsproblem.

En ytterligare fördel med detta system är att det minskar behovet av skrymmande och kostsamma komponenter. Således kan det enkelt integreras i fordon.

Det nya EIS‑systemet har faktiskt visat sin framgång i att bestämma de elektrokemiska egenskaperna hos EV‑batterier under olika driftförhållanden. Detta inkluderar olika temperaturer och laddningsnivåer (SOC).

Systemets enkla integration i batterihanteringssystemet (BMS) för EV‑bilar, tillsammans med dess höga mätnoggrannhet samt minskad komplexitet och kostnad jämfört med konventionella högström‑EIS‑metoder, gör det mycket fördelaktigt för elbilar.

Enligt motsvarande författare professor Kyeongha Kwon kan systemet även bidra till batteridiagnostik och prestandaförbättringar för energilagringssystem (ESS).

Andra utvecklingar inom EV‑batteriers skick & säkerhet

Med tanke på batteriernas betydelse har forskare arbetat med olika metoder för att få en bättre bild av deras skick. Trots allt minskar kapaciteten hos EV‑batterier med cirka 10 % efter ungefär 6,5 år av kontinuerlig drift. Överladdning och överurladdning bidrar också till denna minskning.

Förra året skapade ett team av forskare vid Michigan Engineering en formel för att diagnostisera och övervaka ett batteri utan att demontera det. Formeln, som även kan tillämpas på andra fotoniska och elektroniska enheter, fungerar för alla kombinationer av batterimaterial.

En metod som forskare använder för att undersöka batterier är att applicera en svag växelström, liknande den som kommer från ett vägguttag men mycket svagare, för att undersöka batteriet. I denna process förändras impedansen beroende på växelströmmens frekvens eller hur snabbt den ändrar riktning.

En viktig mätning är hur impedansen varierar med frekvens, erhållen genom att svepa frekvensen från låg till hög. För att uppnå detta måste ett samband byggas mellan batterimaterialen och deras signatur. Teamet utvecklade dock sin egen formel för att beskriva sambandet. När impedansen har mätts vid några få frekvenser kan formeln förutsäga impedansen som funktion av frekvens över ett brett frekvensområde.

Formeln, enligt teamet, fungerar som ett sätt att visa materialimpedans med endast några få experimentella datapunkter. Den förenklar hela processen att modellera elektricitetsflödet genom enheter tillverkade av olika material och kräver inte förhandskunskap om materialets mikrostruktur.

Den kan dessutom hjälpa till att designa bättre fasta elektrolyter, identifiera impedansfunktioner hos andra batterikomponenter och bygga exakta batterimodeller för att möjliggöra säkrare och mer effektiv styrning vid laddning och urladdning.

Vid den tidpunkten sade teamet att de planerar att använda formeln för att förstå och sedan designa fast‑tillstånd‑elektrolyter med blandade material, vilka kan erbjuda högre kapacitet och bättre säkerhet.

Framsteg inom strukturell batteridesign, material och övervakningssystem pågår, vilket har förbättrat säkerhetsåtgärder för att förhindra interna kortslutningar och termisk rusning. För detta fokuserar forskare i allt högre grad på rollen för kiselbaserade anodmaterial, särskilt SiO‑partikelfördelning inom anodlagret, för att uppnå högre energitäthet samtidigt som man kontrollerar negativa effekter under cykling, vilket förbättrar säkerhet och livslängd.

När det gäller batteridesign och montering framträder lim också som en kritisk komponent, med fördelar som förbättrad prestanda genom optimering av den termiska gränssnittet mellan battericeller och kylsystem, större designflexibilitet genom att binda olika material, förbättrad energihantering för säkerhet samt kostnadsbesparingar genom att effektivisera tillverkningsprocesser.

Forskare och företag utnyttjar också AI för upptäckt av batterimaterial och tillverkning. Även om EV‑batteritekniken har gjort betydande framsteg de senaste åren finns det fortfarande flera problem vad gäller material, design, räckvidd och batterihanteringssystem.

Batterihanteringssystemet (BMS) i en elbil handlar om att säkerställa effektivitet, säkerhet och livslängd genom att optimera batteriets prestanda. Traditionella batteriuppskattningar av dess hälsa och laddning för att förutsäga framtida nedbrytning har inte varit exakta, vilket har lett till maskininlärningsalgoritmer för BMS som analyserar realtidsdata för precisa uppskattningar av batteriets hälsotillstånd (SOH) och laddningsnivå (SOC). BMS använder sedan dessa uppskattningar för att optimera batteriets prestanda.

Den globala marknaden för EV‑batteriformning och testning är faktiskt en snabbt växande, vilket värderades till 1,9 miljarder dollar år 2023. Denna marknad förväntas växa med en CAGR på över 17,6 % under de kommande åtta åren och nå 7,8 miljarder dollar år 2032.

Denna tillväxt drivs av ökad EV‑adoption och efterföljande batteriproduktion, tekniska framsteg inom batterikemi, batterisäkerhet och pålitlighetskrav samt ett ökande fokus på hållbarhet och minskning av koldioxidutsläpp.

För ett par månader sedan annonserade US Department of Energy (DOE) också 43 miljoner dollar i finansiering för projekt som ska främja forskning, utveckling och implementering inom kritiska batteriområden. Initiativets mål är att driva innovationer inom lågkostnads‑EV‑batteritillverkning, minska fel, förbättra batterisäkerhet och stärka den inhemska leveranskedjan för batterimaterial.

Detta är i linje med den amerikanska nationella planen för transportavkarbonisering, som syftar till att eliminera alla utsläpp från transportsektorn till år 2050 genom att främja batteriteknologier för att driva säkra och effektiva nollutsläpps‑EVs.

Företag som hjälper till att driva fram EV‑batterihantering

Låt oss nu titta på företag som arbetar i skärningspunkten mellan EV‑batterihälsoteknik, BMS‑system och EIS‑framsteg, vilka alla är avgörande för att upprätthålla EV‑marknaden och optimera batteriers livslängd och säkerhet.

Elon Musks Tesla (TSLA ) är bland de mest framstående, och företaget är starkt investerat i högkapacitets‑ och långlivade batterier för EVs. Med Teslas aktier upp 4,83 % i år ligger dess börsvärde för närvarande på 830,7 miljarder dollar.

Därefter finns den 3,24 miljarder dollar stora QuantumScape Corporation (QS ), som utvecklar fasta litium‑metallbatterier för EVs, medan den 1,9 miljarder dollar stora Enovix Corporation (ENVX ) utvecklar avancerade litium‑jonbatterier med kiselanod. Den 11,18 miljarder dollar stora Albemarle Corporation (ALB ) är en ledande litiumproducent och är involverad i förbättring av batteriets effektivitet och säkerhet. Aktierna i QS, ALB och ALB har minskat med 6,47 %, 34,14 % respektive 13,14 % i år.

Analog Devices (ADI ) är ett företag värt 114 miljarder dollar vars aktier har stigit 15,67 % hittills i år. Samtidigt erbjuder de batterihanteringssystem (BMS)-lösningar för EV‑batterier.

General Motors Company

Den 59,2 miljarder dollar stora biljätten har haft en fin uppgång i aktiekursen i år. Med drygt två månader kvar av 2024 har GM:s aktiekurs stigit 46,77 % och handlas till 52,9 $. Den har ett EPS (TTM) på 9,37 och ett P/E‑tal (TTM) på 5,63, samt en utdelningsavkastning på 0,91 %.

General Motors (GM ) är involverat i design, tillverkning och försäljning av bilar, lastbilar och bildelar, samt tillhandahåller mjukvarustyrda tjänster. Företaget är också banbrytande inom batteriteknik, säkerhet och prestanda för sin EV‑flotta genom Ultium‑plattformen.

Ultium presenterades först 2020, och dess VD, Mary Barra, kallade den:

“En fler‑märkes, fler‑segment EV‑strategi med stordriftsfördelar som kan mäta sig med vår full‑size lastbilsverksamhet med mycket mindre komplexitet och ännu mer flexibilitet.”

Under ett nyligt möte meddelade Barra att Ultium‑batterimärket nu fasas ut men påstod att EV‑försäljningen kommer att förbättras. GMs EV‑sortiment inkluderar Chevy Equinox och Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq och Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GMs vice VD för battericeller, erkände dock vikten av Ultium för att hjälpa till att lansera det breda sortimentet av helt nya EV‑modeller, och noterade:

“(Företagets) övergång från en storlek passar alla till nya program‑specifika batterier.”

GM tittar nu på flera batterikemi för att bättre kunna möta prestandakraven.

Bilföretaget planerar också att bygga ett batteriprototypcenter i Michigan som ska öppnas 2027, vilket kan minska utvecklingstiden för batterier med upp till ett år.

Denna vecka rapporterade GM sina finansiella resultat för Q3 2024, vilket visade att intäkterna för kvartalet var 49 miljarder dollar, upp 10 % år‑över‑år, medan justerat fritt kassaflöde för bilsektorn uppgick till 5,8 miljarder dollar, en ökning med 900 miljoner dollar jämfört med föregående år. Under denna period återköpte GM aktier för ett värde av 1 miljard dollar.

Företaget såg sin detaljhandelsmarknadsandel i USA växa under Q3 medan verksamhetsmiljön i Kina förblev utmanande. Dess garantikostnader ökade också på grund av inflationspress.

När det gäller EVs är företaget på väg att producera 200 000 EVs i Nordamerika i år. Trots framsteg arbetar GMs EV‑verksamhet fortfarande med att uppnå lönsamhet och förväntar sig en förbättring av EV‑förlusterna på 2–4 miljarder dollar.

Slutsats

När övergången till ren energi accelererar kraftigt, med stöd av statliga politik, incitament och industriella strategier, har världen skiftat till elbilar. Den snabba tillväxten av EVs understryker batteriernas avgörande roll och kräver hög effektivitet och säkerhet. Här kan tekniker som elektro‑kemisk impedansspektroskopi och innovativa batterihanteringssystem hjälpa till att förfina hur vi övervakar EV‑batterihälsa och bidra till säkrare, mer hållbar EV‑användning.

Allt eftersom fler studier, företag och regeringar fokuserar på att förbättra EV‑batteridiagnostik kommer vi att se längre hållbara batterier, säkrare konstruktioner och effektiv energilagrning, vilket alla är avgörande för att EVs ska nå massadoption. Dessa innovationer kan dessutom hjälpa till att nå ambitiösa globala klimatmål, vilket leder till en renare, mer hållbar framtid.

Klicka här för en lista över de 10 bästa EV‑aktierna att investera i.