Ny Li‑ion‑design möjliggör snabb laddning av elbilar i kyla

Den globala marknaden för elbilar (EV) upplever stark tillväxt, med en av fem sålda bilar som är elektrisk. 

Förra året ökade antalet sålda elbilar med 25 %, och därmed utgjorde elbilar 21 % av alla bilförsäljningar världen över.

Denna tillväxt drivs av konsumenternas efterfrågan, som är bekymrad över klimatförändringar, politiskt stöd från regeringar världen över, ökande prispress som gör elbilar prisvärda, samt förbättringar inom batteriteknik.

Inom batterier är litium‑ionbatterier den mest populära och mest använda tekniken på grund av sin låga vikt, höga energitäthet och långa livslängd. 

Trots dessa framsteg inom batteriteknik har befintliga Li‑ion‑batterier begränsad prestanda vid låga temperaturer och snabbladdning. Deras prestanda påverkas också om elektroden är för tjock, där flera masstransport‑ och gränssnittskinetiska effekter måste hanteras samtidigt.

Detta leder till designkompromisser som begränsar batteriers användning i områden som är svåra att elektrifiera. Detta gäller särskilt extrema miljöer och konfigurationer där termisk hantering inte är möjlig. 

Det innebär att förbättra litiumbatterier kräver att man löser trilemmat mellan elektroder med hög energitäthet, drift vid låga temperaturer och snabbladdning. 

Med detta mål har ingenjörer från University of Michigan introducerat en strategi som möjliggör extremt snabb laddning, upp till 6C, vid temperaturer så låga som −10 °C. Snabbladdning vid låga temperaturer lovar att förbättra elbilar i kalla klimat. 

Den snabba laddningen under under nollgrader uppnåddes samtidigt som >3 mAh/cm² elektrodbelastning bibehölls. 

För detta introducerar teamet en strategi som integrerar tredimensionella elektrodarkitekturer med ett artificiellt fast elektrolyt‑gränssnitt (SEI) genom atomlagerdeposition av ett fast elektrolyt (Li3BO3‑Li2CO3). 

Denna synergistiska strategi kan hantera gränssnitts‑ och transportbegränsningar under extrema förhållanden utan skadlig Li‑plätering. Modifiering av elektroderna för att förbättra masstransport och gränssnittskinetik ökade deras tillgängliga kapacitet.

Enligt studien, publicerad i Joule¹, ger den grundläggande insikter i de dominerande mekanismerna som styr litiumplätering och kapacitetsförlust under lågtemperatur‑ och snabbladdningsförhållanden.

Snabb laddning för elbilar i kallt väder 

Den globala antagandet av elbilar har vuxit stadigt sedan 2010‑talen. År 2020 fick elbilar sitt stora genombrott när registreringarna ökade i de stora marknaderna trots COVID‑pandemin. 

Elbilar hade sitt rekordår 2020, med mer än 10 miljoner av dem på vägarna i slutet av året, där batterielektriska modeller drev expansionen.

Sedan dess har elbilar blivit ännu mer populära och är en vanlig syn på vägarna. Tillväxttakten har dock börjat avta. 

Enligt en AAA‑konsumentundersökning minskade andelen amerikanska vuxna som skulle vara “troliga” eller “mycket troliga” att köpa en ny eller begagnad elbil från 23 % år 2023 till 18 % år 2024. Dessutom sade 63 % att de skulle vara “osannolika” eller “mycket osannolika” att deras nästa bilköp blir en elbil. 

“Tidiga adoptörer som ville ha en elbil har redan en,” noterade Greg Brannon, chef för fordonsforskning på AAA, förra sommaren. “Den återstående gruppen som ännu inte har antagit elbilar överväger praktikalitet, kostnad, bekvämlighet och ägandeupplevelse, och för vissa är dessa tillräckligt stora hinder för att hindra dem från att ta steget till helt elektrisk.” Intresset skiftar mot hybrider.

Skiftet beror delvis på oro över räckviddsminskning på vintern och långsammare laddning. På vintern måste batterierna vara tillräckligt varma för att elektronerna ska kunna röra sig, vilket innebär att det kan ta en halvtimme att värma upp batteriet och göra det redo för laddning. Enligt Neil Dasgupta, docent i maskinteknik samt materialvetenskap och -teknik vid U‑M:

“Att ladda ett elbilsbatteri tar 30 till 40 minuter även vid aggressiv snabbladdning, och den tiden ökar till över en timme på vintern. Detta är smärtpunkt vi vill åtgärda.” 

Studier har visat att räckviddsförlust kan ligga mellan 10 % och 36 %. Saken är att vid låga temperaturer “saktar praktiskt taget allt som är en kemisk substans ner.”

Så utvecklade U‑M‑ingenjörerna en modifierad tillverkningsprocess för elbilsbatterier som kan möjliggöra snabbladdning i fryspåverkan och hög räckvidd. Med dessa stora problem lösta kan processen ytterligare stärka antagandet av elbilar. 

“Vi föreställer oss detta tillvägagångssätt som något som elbilsbatteritillverkare kan anta utan stora förändringar i befintliga fabriker. För första gången har vi visat en väg för att samtidigt uppnå extrem snabbladdning vid låga temperaturer, utan att offra energitätheten i litium‑ion‑batteriet.” 

– Studiens motsvarande författare, Dasgupta

Genom att utnyttja denna nya tillverkningsprocess kan Li‑ion‑elbilsbatterier laddas upp till 500 % snabbare även vid 14 °F.

Den starka prestandan är resultatet av en struktur och beläggning som förhindrar bildning av litiumplätering på batteriets elektroder. Li‑plätering är skadlig för batterier, den hindrar deras prestanda genom kapacitetsförlust och minskad cykel‑livslängd. Den kan även utgöra en potentiell säkerhetsrisk i form av interna kortslutningar på grund av bildning av litiumdendriter. 

Genom att förhindra bildning av Li‑plätering möjliggjorde modifieringarna att batterierna behöll upp till 97 % av sin kapacitet, även efter att ha snabbladdats 100 gånger vid mycket kalla temperaturer.

Ingenjörskonst för ett batteri med bättre hastighet, räckvidd & kalltolerans

Elbilsbatterier lagrar kemisk energi och omvandlar den till elektrisk energi. Denna omvandling drivs av en elektrokemisk reaktion som använder litium‑ionceller med en anod (negativ elektrod) och en katod (positiv elektrod) separerade av en separator och ett elektrolyt. 

Elektrolyten, en lösning som ett litiumsalt, underlättar överföringen av joner mellan katoden och anoden. Denna jonrörelse driver flödet av elektroner genom en extern krets, vilket skapar elektrisk energi för att driva den anslutna enheten.

Under urladdning, när batteriet är i bruk, släpper anoden ut Li‑joner till katoden. När det laddas, dvs. är anslutet till en strömkälla, släpper katoden ut litiumjonerna till anoden. Vid låga temperaturer saktar jonrörelsen ner, vilket minskar batteriets kraft och laddningshastighet.

För att förlänga en elbils räckvidd, dvs. avståndet den kan köra på en enda laddning, har biltillverkare valt att öka elektrodens tjocklek. Detta har gjort det möjligt för dem att erbjuda längre körsträckor innan nästa laddning behövs, men det gör också en del av litiumet svårt att nå, vilket leder till långsammare laddning och mindre kraft för en given batterivikt.

The U-M team tidigare förbättrat² batteriets laddningskapacitet genom att skapa vägar i anoden, vardera 40 mikron stora. Kanalerna fungerade som diffusionsvägar för snabb jontransport.

För detta demonstrerade de en laser‑mönstringprocess för att producera 3D‑grafitanodarkitekturer. I den processen sköt de grafiten med laser, vilket gjorde att Li‑jonerna kunde hitta platser att fästa sig snabbare. Genom att penetrera djupt i elektroden säkerställde de en mer jämn laddning.

När de testades visade deras design en kapacitetsbehållning på 91 % respektive 86 % efter 600 cykler med 4C‑ respektive 6C‑laddning. Deras 3D‑anoddesign möjliggjorde också att cellerna kunde utnyttja > 90 % av kapaciteten under snabbladdning.

Trots att laddningen vid rumstemperatur påtagligt påskyndades, förblev laddningen vid låga temperaturer ineffektiv. Detta berodde på det kemiska lager som bildas på elektrodens yta som ett resultat av reaktion med elektrolyten.

“Den pläteringen förhindrar att hela elektroden laddas, vilket återigen minskar batteriets energikapacitet.” 

– Studie medförfattare Manoj Jangid, som är senior forskningsfellow i maskinteknik vid U‑M.

Svaret på detta problem var att förhindra att ytlager bildas, vilket uppnåddes genom att belägga batteriet med ett material av litiumborat‑karbonat. Beläggningen, som hade en tjocklek på cirka 20 nm, påskyndade kall laddning.

När detta kombinerades med kanalerna visade testcellerna att de laddade 500 % snabbare vid under fryspunkten.

“Genom synergin mellan de 3‑D‑arkitekturerna och det artificiella gränssnittet kan detta arbete samtidigt lösa trilemmat med snabbladdning vid låg temperatur för långdistanskörning.” 

– Försteförfattare Tae Cho, nyutexaminerad doktor i maskinteknik

Det efterföljande arbetet med att utveckla en fabriksklar process finansieras av Michigan Economic Development Corporation.

U‑M‑ingenjörsteamet har också ansökt om patentskydd. Under tiden har Arbor Battery Innovations — en enhet där både Dasgupta och universitetet har ett finansiellt intresse — licensierat kanalteknologin och arbetar nu med att kommersialisera den.

Innovativt företag

Ford Motor  

Nu, om vi tittar på ett innovativt företag inom batteri‑ och elbilsvärlden, är Elon Musks Tesla med ett börsvärde på 875,5 miljard $ det mest framträdande namnet, men det har haft en tuff period. Dess aktier har fallit 32,6 % hittills i år och handlas till 261,23. Företaget som inte betalar några utdelningar drabbades också av en nedgång på 13 % under 1Q 2025 i sina (336 681) fordonleveranser jämfört med föregående år. Under detta kvartal mötte Tesla bojkott, protester och till och med brottsliga handlingar på grund av VD Musk:s engagemang i Trump‑administrationen.

Därefter finns Albemarle Corporation (ALB ) med ett börsvärde på 7,1 miljard $, en av de största litiumproducenterna och kritisk för litium‑ion‑batteriförsörjningskedjan. ALB:s aktier har också fallit nästan 30 % hittills i år, även om de betalar en utdelningsavkastning på 2,68 %.

Inom elbilens infrastruktur har ChargePoint (CHPT ) , med ett börsvärde på 273,3 miljon $, också mött en utmanande miljö. Dess intäkter har minskat och dess aktier har fallit 44,25 % hittills i år och handlas till $0,60.

Finns det några företag som faktiskt presterar bra? Jo, de kinesiska BYD och CATL gör det utan tvekan.

Den kinesiska biltillverkaren och batteritillverkaren ser en betydande finansiell tillväxt och rapporterar en årlig omsättning på 107 miljard $ för 2024, vilket överträffar Tesla. ”BYD har blivit en branschledare i alla sektorer från batterier, elektronik till nya energifordon, brutit den utländska dominansen och omformat den nya landskapen på den globala marknaden,” sade BYD‑president Wang Chuanfu.

Under 1Q 25 sålde BYD nästan en miljon personbilar, en ökning med 58,7 % jämfört med 1Q 24. Drygt 200 000 av dessa fordon exporterades utomlands, en ökning med 110,5 % jämfört med 1Q 24. Även deras aktier har stigit imponerande 28,77 % hittills i år och handlas till $43,78 samtidigt som de betalar en utdelningsavkastning på 1 %.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) är en annan ledande kinesisk batteritillverkare som är på väg att få godkännande från Hong Kong Stock Exchange för en börsnotering på 5 miljard $, vilket kommer stärka deras finansiella ställning och stödja deras expansionsplaner.

Utanför Kina har den tyska biltillverkaren Volkswagen AG (VOW.DE ) (VOW3.DE ) också gjort stora framsteg och rapporterat en ökning med 1,4 % i sina globala leveranser till 2,13 miljon enheter under första kvartalet 2025. Denna ökning drivs av tillväxt i Europa och Amerika, medan leveranserna på den kinesiska marknaden minskade med 7,1 %. Trots detta förväntas rörelseresultaten bli lägre på grund av en nedgång på den amerikanska marknaden på grund av rädsla för en global recession. Företaget planerar också att höja priserna efter Trumps 25 % tullar på bilar träder i kraft.

Tillbaka till den amerikanska marknaden, här kan Ford vinna marknadsandelar som en amerikansk biltillverkare som producerar den stora majoriteten av sina bilar inhemskt. Företaget grundades av Henry Ford 1903 och är väl positionerat för att dra nytta av president Trumps planer. Enligt president Andrew Frick:

“Vi monterar fler amerikanska fordon och sysselsätter fler amerikanska timanställda fordonsarbetare än någon annan. Vi vill göra mer, inte mindre, här i USA.”

Företaget lanserade nyligen ett tidsbegränsat rabatt erbjudande som en del av kampanjen ‘From America, For America’ för att locka fler köpare medan andra tillverkare höjer priserna för att täcka ökade tullar.

”Vi har detaljhandelslagret för att göra detta och ett stort urval för kunder som behöver ett fordon,” sade Ford i ett uttalande och hänvisade till ”osäkra tider” och ”komplexiteten i en förändrad ekonomi” som skälen bakom beslutet.

Nu, med ett börsvärde på 37,7 miljard $, handlas Ford‑aktier, vid skrivandet, till $8,91, endast 4 % ned detta år hittills. Med detta är dess EPS (TTM) 1,46, P/E‑kvoten (TTM) 6,51 och ROE (TTM) 13,42 %. Företaget betalar också en attraktiv utdelningsavkastning på 6,32 %.

För Q1 2025 rapporterade Ford en nedgång med 1,3 % i sina amerikanska försäljningar till 501 291 enheter, drivet av avvecklingen av vissa modeller.

Detta kommer efter att Ford överträffade förväntningarna för fjärde kvartalet 2024, även om VD Jim Farley förutspådde ett tuffare år för företaget, men förbättringar lovas när det gäller kostnader och kvalitet.

För detta år förväntar sig Ford justerade resultat före räntor och skatter (EBIT) på mellan 7 miljard $ och 8,5 miljard $, samt justerat fritt kassaflöde på mellan 3,5 miljard $ och 4,5 miljard $, under förutsättning att ”motvind relaterad till marknadsfaktorer”.

För 2024 var företagets totala omsättning 185 miljard $, nettoresultatet 5,9 miljard $, eller 1,46 $ i vinst per aktie, och justerat fritt kassaflöde var 6,7 miljard $.

Ford gör också betydande framsteg på elbilsmarknaden, med cirka 97 865 helt elektriska fordon sålda under 2024, en ökning med 35 % år‑till‑år. Dess hybridförsäljning ökade med 40 % till 187 426 enheter. Under 1Q 25 nådde dess elbilsförsäljning ett rekord på 73 623. Denna 26 % tillväxt leddes av hybrider, upp 33 %, och elbilar, upp 12 %. (TSLA )

Slutsats

Batterier, en kritisk komponent i elbilar, har genomgått betydande förbättringar. Batteritekniken står dock fortfarande inför flera utmaningar, såsom höga kostnader, brist på materialtillgång, begränsad körsträcka, långa laddningstider, brist på infrastruktur, säkerhetsbekymmer samt korrekt återvinning och avfallshantering. 

Den senaste studien, med sin stabiliserande beläggning och mikroskala‑kanaler, hjälper till att lösa kompromissen mellan räckvidd och laddningshastighet, även i iskalla temperaturer.

Genom att avsevärt förbättra laddningshastigheterna visar denna studie potentialen att avlägsna ett av de viktigaste hindren för antagandet av elbilar: räckviddsångest och långa laddningstider på vintern. Detta kan hjälpa till att påskynda inte bara elbilsanvändning utan även den bredare trenden mot elektrifiering. Däremot skulle en storskalig implementering av processen kräva att kostnadseffektivitet och säkerhet upprätthålls.

Sammanfattningsvis, när branschen strävar mot snabbare, mer effektiva och säkrare batterier, kommer innovationer som denna att hjälpa till att övervinna de sista hindren för full elektrifiering, vilket leder till en grönare och renare framtid.

Klicka här för en lista över de bästa elbilsaktierna.

Refererade studier:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Möjliggör 6C snabbladdning av Li‑ion‑batterier vid under nollgrader via gränssnitts‑ingenjörskonst och 3D‑arkitekturer. Joule, Publicerad online 17 mars 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Effektiv snabbladdning av litium‑ion‑batterier möjliggjord av laser‑mönstrade tredimensionella grafitanodarkitekturer. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475