Kan elbilar för kallt klimat bli ett fordonalternativ?

Minskning av EV‑adoptionshastigheten

Electrifiering är en trend som tar över världen. Detta gäller både elbilar samt uppvärmning och industriella processer. Men allt är ännu inte perfekt, eftersom klassiska litium‑jonbatterier drabbas av en kraftig prestandaförlust i kalla temperaturer. Så medan detta inte är ett riktigt problem i Kalifornien eller Kina, två heta områden för EV‑adoption, kan det vara allvarligt i norra breddgrader.

Trots dessa begränsningar ser vi att EV‑adoptionsnivåerna är höga i länder som Norge (72 % EV och 14 % hybrid), vilket indikerar en stark beredskap hos befolkningen att byta till elbilar.

Källa: Roland Berger

Ändå kan fallet med Norges grannländer indikera att utan massiva subventioner liknande de norska, kan adoptionen plana in under 50 % i regionen.

Om batterisystemen förbättrar prestandan i kylan, kan regionen och andra liknande länder bli bland de första att nå 100 % BEV (batterielektriska fordon).

Hittills har huvudförhoppningen att förbättra prestanda vid låga temperaturer baserats på natrium‑jonbatterier, särskilt med den betydande framgång som det kinesiska företaget CATL har gjort (följ länken för den motsvarande rapporten). Men ett nytt koncept kan öppna vägen för litium‑jonbatterier som är specifikt anpassade för kalla förhållanden.

Det har undersökts av kinesiska forskare vid Donghua University (Kina), Fudan University, Qingdao University och Inner Mongolia University. De publicerade nyligen sina resultat i Angewandte Chemie under titeln “Negativ termisk expansionsbeteende möjliggör god elektro‑kemisk energilagringsprestanda vid låga temperaturer¹”.

Litium‑jonbatteriers problem med kyla

Litium‑jonbatterier är fortfarande den mest kraftfulla och energitäta batteritypen som finns idag i den skala som krävs för elbilar. Detta kan förändras i framtiden med fast‑tillstånd‑batterier. Eller kanske förbättrade litium‑jonbatterier som honungskombinationsbatterier kommer att vara lika effektiva som fast‑tillstånd‑teknologier.

Men i båda fallen kvarstår problemet med prestanda i kallt väder. Anledningen är att kallt väder, särskilt under fryspunkten, saktar ner diffusionen av litium‑joner i elektrodmaterialet. Hittills har detta betraktats som en grundläggande begränsning av teknologin, driven av fysiken i hur litium‑jon reagerar vid låga temperaturer.

De enda alternativen i elbilar har hittills varit att använda batteriets energi för att hålla det varmt (vilket slösar energi) eller att installera tillräckligt stora batteripaket så att räckviddsförlusten är acceptabel för användaren. Åtminstone fram till nu.

Negativ termisk expansions (NTE) elektroder

Det centrala konceptet som forskarna använder är en egenskap kallad negativ termisk expansion för elektrodmaterialet, eller NTE. Detta är material som expanderar när de kyls, i motsatt riktning mot de flesta material, särskilt metaller.

Ett exempel i vardagen är vatten, som expanderar när det fryser, vilket gör is mindre tät än flytande vatten.

Tester utfördes med litium‑titaniumfosfat LiTi2(PO4)3 eller “LTP”.

LTP

Detta material består av en kristallstruktur som bildar ett 3D‑gitter av TiO6‑oktaeder och PO4‑tetraeder. Det skapar en öppen, flexibel struktur som innehåller både ”kavitet” och ”kanaler”, där litium‑joner kan placeras.

Källa: Angewandte Chemie

När materialet kyls, sträcker sig den kristallina strukturen längs en av dess kristallaxlar. Detta ökar avstånden mellan syreatomerna, och vidgar kaviteten i gitterstrukturen.

Det större utrymmet i kalla kristaller underlättar lagring och transport av litium‑jonerna.

Stark prestanda i kyla

Den ökande storleken på kaviteten eliminerar inte helt den lägre rörligheten hos litium‑jonerna, men den hjälper avsevärt. Forskarna fann att vid −10 °C var diffusionstakten för litium‑jonerna fortfarande 84 % av värdet som uppmättes vid 25 °C. De testade också hur effektiv och stabil ett sådant batteri skulle vara.

Elektrokemiska tester på kolbelagd LTP vid −10 °C visade god elektrokemisk prestanda med hög kapacitet och hög hastighetskapacitet. Batteriets hållbarhet var också hög, utan betydande nedgång i behållningskapacitet över 1000 laddnings‑/urladdningscykler (96,8 % kapacitetsbehållning).

Framtida tillämpningar

Denna nya typ av elektrod måste undersökas för sin potential i skräddarsydda elbilar för kallt klimat.

Detta kommer sannolikt att bli ett krav för elbilar som måste fungera i regioner med hårda vintrar, såsom Kanada, Skandinavien, Ryssland, bergiga områden osv. Minst för att bli standard, och inte bara ett trevligt extra fordon för välbärgade förare.

Det är också möjligt att andra material med negativ termisk expansion existerar och uppvisar ännu bättre elektrokemiska egenskaper. Så sannolikt kommer mer forskning att behövas för att hitta den ideala elektroden för kallt väder.

På lång sikt kan sådan teknik också ha viktiga tillämpningar inom rymdforskning, där fordon och energilagringssystem som opererar i omloppsbana, på månen eller Mars sannolikt kräver stark prestanda även i extremt kalla miljöer.

Investera i avancerad batteriteknik

Batterier är i centrum för elektrifieringstrenden, som i sig är ett enormt flertriljonprojekt som syftar till att avlägsna fossila bränslen från våra energikällor.

Du kan investera i batterirelaterade företag via många mäklare, och här på securities.io hittar du våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien samt många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika batteriföretag kan du även titta på batteri‑ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) eller WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF, vilka ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av den växande batteribranschen.

CATL (300750.SZ)

Som tidigare nämnt är CATL en teknologisk ledare med avancerade honungskombinations‑litium‑jonbatterier och natrium‑jon‑designer.

Företaget är den globala ledaren inom batteritillverkning och producerar mer än hälften av den globala batterivolymen. Det är närvarande i varje steg av batteritillverkningskedjan.

Detta gäller för litium‑jonbatterier, där företaget länge har varit en etablerad ledare. Det är också starkt inom LFP‑batterier (litium‑järn‑fosfat), med den nyligen tillkännagivna förbättrade designen som kan lägga till 600 km räckvidd på bara 10 minuter. Totalt kan körsträckan bli över 1 000 km (600 miles), vilket helt eliminerar all “räckviddsångest” för framtida elbilsägare.

Parallellt har CATL tidigare också tillkännagett imponerande framsteg inom många batterityper:

• Ett 12 000‑cyklers ultra‑långlivat batteri för storskalig energilagring, med 18 000 cykler som långsiktigt mål.
• Ett batteri med en energitäthet på 500 Wh/kg, vilket potentiellt möjliggör elektrifiering av passagerarflygplan.
• Massproduktion av 160 Wh/kg natrium‑jonbatterier, med ett mål på 200 Wh/kg.

Källa: CATL

CATL har investerat 3,25 Mrd i batteriåtervinningskapacitet i Kina. Det har särskilt uppnått en anmärkningsvärd återvinningsgrad på 99,6 % för nickel, kobolt, mangan och 91 % för litium.

Tack vare sin skala, fokus och FoU‑resultat är CATL sannolikt i framkant av batteriinnovation, tillverkning och återvinning.

Detta gör dem till en nyckelpartner för elbilstillverkare, inklusive Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis osv, med Hyundai nyligen tillagd till CATLs växande lista av strategiska allianser.

Dessutom kan de lärdomar som dragits från en kemi vara tillämpliga på en annan. Så upptäckten som diskuteras i denna artikel kan vara ursprunget till överraskande kombinationer, till exempel kan vi föreställa oss några nya idéer:

• Negativ termisk expansions‑elektrod byggd med en honungskombinationsstruktur.
• Tillämpning av negativ termisk expansion på natrium‑jonteknik för att skapa det ultimata kalltåliga batteriet.
• Användning av negativ termisk expansion i CATLs ultra‑stabila storskaliga batterier, för att erövra marknaden för elnät i kalla länder.

Skalekonomierna från att redan producera hälften av världens batterier är sannolikt också tillämpliga på hela företaget, oavsett vilken specifik teknik som används i en enskild produkt.

Så ju mer framsteg som görs inom batteriteknik generellt, desto mer sannolikt är det att CATL kan integrera dem i sina befintliga designer, vilket skapar större efterfrågan, som i sin tur ytterligare ökar skalekonomierna, i en positiv återkopplingsslinga.

Slutligen bör investerare vara medvetna om den växande klyftan mellan USA och Kina, där CATL potentiellt kan bli ett kollateralt offer. Företaget har lagts till på US Department of Defense:s lista över kinesiska militära företag (CMC).

CATL sade i ett uttalande att de aldrig har varit involverade i någon militärrelaterad verksamhet eller aktiviteter, och att deras tillägg till CMC‑listan var “ett misstag.”

Företaget noterade att de inte förväntar sig någon väsentlig negativ påverkan på sin verksamhet, och att de samarbetar med US Department of Defense för att hantera situationen, inklusive genom juridiska åtgärder om så behövs.

Fast Market

Denna bestämmelse innebär inga omedelbara sanktioner mot CATL eller andra företag på listan, men kan ändå påverka aktiekursen och CATLs framtida export till västliga marknader.

(Du kan också läsa vår längre rapport från september 2024, helt dedikerad till CATL, för en djupare genomgång av företagets historia och teknik).

Studierreferens:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negativ termisk expansionsbeteende möjliggör god elektro‑kemisk energilagringsprestanda vid låga temperaturer. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}