Foto: Joachim Rode

Batteriet er elbilens hjerte

fredag 04 dec 15
|
af Morten Andersen

Kontakt

Poul Norby
Professor
DTU Energi
46 77 47 26

Partnere i batteriprojektet

  • DTU Energi
  • Haldor Topsøe A/S
  • Université François-Rabelais de Tours, Frankrig
  • Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Frankrig
  • Karlsruher Institut für Technologie, Tyskland
  • Varta Microbattery GMBH, Tyskland
  • Uppsala Universitet, Sverige
  • Uniscan Instruments Ltd., Storbritannien
Batterier, der er dobbelt så effektive som nu, kan være det, der giver elbilerne deres endelige gennembrud. Det er målet for et europæisk, DTU-ledet forskningsprojekt, som bygger på avanceret materialeforskning.

Teknologisk set er alle de nødvendige systemer til en elbil på plads – på nær ét. Det mener Poul Norby, seniorforsker ved DTU Energi:

”Den eneste virkelige udfordring er, at batteriet skal være billigere og bedre. Det er allerede en fornøjelse at køre i en elbil, og hvis man kan nå længere på hver opladning, og opladningen samtidig går noget hurtigere, vil elbilerne virkelig rykke.”

Norby er projektleder på et europæisk forskningsprojekt, som studerer grundlæggende fænomener i genopladelige batterier. Allerede i 2017 skal forskerne komme med deres bud på bedre og gerne også billigere batterier. Projektet er relevant for alle anvendelser af genopladelige batterier, men netop elbilerne er specielt interessante, mener Poul Norby:

”Elbiler udgør jo et stort marked. En løsning, der egner sig til elbiler, kan få et meget stort volumen. Det vil hjælpe med at bringe prisen ned og samtidig udvikle teknologien. Senere vil man formentlig kunne overføre principperne til andre batterier som eksempelvis dem, der kan stabilisere overførsel af strøm fra vindmøller til elnettet.”

Formålet med forskningsprojektet er, at batterierne skal forbedres, så elbilen kan komme til at køre længere på en opladning. Og så en opladning kan klares på kortere tid.   Foto: Joachim RodeFoto Joachim Rode 

Glad for Tesla-effekten

Seniorforskeren henviser til den amerikanske virksomhed Tesla, der har kombineret udviklingen af batterier til elbiler med blandt andet en ’powerwall’ til hjemmet:

”Teknologisk set er Teslas nyeste batterier ikke voldsomt nyskabende, men virksomheden har formået at udnytte dem på en ny måde. Samtidig skaber Tesla stor opmærksomhed om den betydning, som batterier kan få i fremtidens samfund. Det er jeg jo fantastisk glad for.”

De dominerende genopladelige batterier i dag er litium-ion-batterier. Litium er det letteste metal, og samtidig har grundstoffet et lavt reduktionspotentiale, hvilket betyder, at man kan opnå en høj spænding i den mindste mulige batterienhed – i fagsproget en elektrokemisk celle. En celle i et litium-ion-batteri kan i dag maksimalt opnå en spænding på 4 volt. Det er klart bedre end andre koncepter. Cellerne sættes i serie, så man når op på den ønskede spænding, som typisk er højere end 200 volt i elbiler. Jo højere spænding i den enkelte celle, jo færre celler kan man nøjes med, og jo billigere og lettere bliver det færdige batteri.

Teoretisk set vil det være muligt at øge spændingen for en celle i et litium- ion-batteri til omkring 5 volt. Altså en markant forbedring.

Batteriet set som en serie af grænseflader

 

Forskernes grafiske fremstilling af grænsefladerne mellem batteriets nøgleelementer og de processer, der foregår mellem disse grænseflader. Det er bl.a. disse processer, man arbejder på at forbedre. 

 
Grafik Poul Norby 

Studerer batteriets nøgleelementer

”Hvis det lykkes at forbedre batterierne markant, vil det være nok til at give elbilerne deres helt store gennembrud,” siger Poul Norby og tilføjer, at det er lettere sagt end gjort.

Den store forskel på litium-ion-batterier og de tidligere koncepter for genopladelige batterier er, at elektrolytten – det vil sige det medie, som ionerne bevæger sig gennem ved opladning eller afladning – er organisk. Det er på den ene side godt, fordi de organiske elektrolytter tillader, at man går højere op i spænding. Men på den anden side er der øget risiko for uønskede reaktioner, som i bedste fald blot medfører, at batteriet dør, og i værste fald, at der opstår brand eller anden sikkerhedsrisiko. ”

Jo højere spænding og jo mere energi, der er i systemet, des større risiko for uønskede reaktioner. Derfor har vi stort fokus på, hvordan man bevarer systemet stabilt, når man øger spændingsniveauet i et litium-ion-batteri,” forklarer Poul Norby.

Blandt andet er det interessant at se, hvad der sker i grænsefladerne mellem nøgleelementer i et batteri, for eksempel mellem den positive pol (katoden) og elektrolytten eller mellem den negative pol (anoden) og elektrolytten. I de bedste batterier dannes der særlige forhold i grænsefladerne, som beskytter mod nedbrydning af materialet. Forskerne håber at finde veje til at forbedre processerne yderligere. Eller i det mindste sikre, at de gode egenskaber bevares, selvom man går op i spændingsniveau.

Opladetiden har psykologisk betydning

Det europæiske projekt hedder Hi-C, hvor ’Hi’ står for High, mens ’C’ er enheden for, hvor hurtigt man kan trække strøm ud af et batteri. 1 C er den strøm, der giver fuld afladning af et batteri i løbet af en time. Forskerne studerer blandt andet processer i batterierne, mens de foregår. Det kan ske ved hjælp af kraftige røntgenkilder, synkrotroner. Desuden benyttes en række andre teknikker, blandt andet elektronmikroskopi og computermodelleringer.

”Vi er optimistiske med hensyn til, at vi kan anvise veje til at gøre litium- ion-batterier mere effektive, uden at man går på kompromis med sikkerheden,” siger Poul Norby.

Imidlertid interesserer forskerne sig også for helt andre typer af batterier. Det drejer sig både om andre koncepter for litium-batterier, blandt dem litium-svovl og litium-luft samt helt andre materialer.

Målet er klart. Batterierne skal gerne blive dobbelt så effektive som i dag. Dermed vil elbilerne kunne nærme sig den rækkevidde, som bilisterne er vant til. Desuden vil det være godt, hvis opladningen kan gå noget hurtigere end i dag, mener Poul Norby:

”I virkeligheden er litium- ion-batterierne meget hurtige at lade op allerede. Når ladetiden alligevel er en barriere, handler det nok mest om psykologi. Bilisterne er vant til, at det går hurtigt med at fylde benzin på. Men heldigvis er der gode chancer for, at vi kan finde veje til at lade batterierne op endnu hurtigere.”

Se også denne video om ph.d. Jonathan Højbergs arbejde med litium-luft-batterier i samarbejde med Haldor Topsøe A/S.   
 

DYNAMO 43 - tema om elbiler

Læs også: 


"Elbilen er den langsigtede løsning"
Interview med Niels Buus Kristensen, institutdirektør ved DTU Transport om elbilens afgørende betydning for den grønne omstilling. Niels Buus Kristensen er en af de centrale skikkelser i Danmark, når det gælder transportøkonomi og klimaløsninger.

 

Fremtidens elbil
Lektor fra DTU Elektro, Esben Larsens bud på Hvordan elbilen vil udvikle sig.

 

Case 1Bilen bliver mere end et transportmiddel 
Om Nissans samarbejde med DTU Elektro om udviklingen af fremtidens elbiler.

 

Case 3Økonomien er det altafgørende
Lektor fra DTU Transport, Stefan Lindhard Mabits vurdering af de økonomiske faktorers betydning, for udbredelsen og udviklingen af elbiler.

Relaterede Videoer  

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

Vis flere