En hurtigere test for elbilbatterier

Det tager år at verificere, at en ny batteriteknologi holder i en hybrid- eller elbils levetid. Det betyder, at batterimaterialer, der muligvis koster mindre og opbevarer mere energi end nutidens batterier, sygner hen på laboratoriebænke.

Batteritester: Dette system oplader og aflader 60 battericeller og forudsiger, hvor længe de vil vare.

En ny måde at teste lithium-ion-batterier på kunne reducere den tid til et par uger i stedet for et par år, hvilket eliminerer en vigtig flaskehals, der holder batteriomkostningerne høje og lagerkapaciteten lav.

Ved nøjagtigt at måle, hvor effektivt eksperimentelle batterier opbevarer og leverer en elektrisk ladning, Jeff Dahn fra Dalhousie University kan forudsige, hvor mange gange battericeller kan oplades og aflades - kendt som batteriets cykluslevetid. Dahn, professor i fysik og kemi, forsøger også at demonstrere, at metoden kan forudsige, hvor længe et batteri vil holde på hylden – kendt som kalenderlevetid.

Sammen afgør cykluslevetid og kalenderlevetid, hvor længe et batteri vil være nyttigt. De er essentielle for for eksempel at bestemme, hvor stor batteripakken skal være for at opbevare den annoncerede mængde energi i hele bilens levetid.

Teknikken har fanget opmærksomheden hos bilproducenter, som forsøger at validere og bruge den, især som et værktøj til at forudsige cyklusliv. Det kunne også give akademikere, der har færre ressourcer end bilproducenter, mulighed for at udvikle batterimaterialer med reelt kommercielt potentiale. Vi tror, ​​at denne teknik kunne være meget nyttig, siger Masaki Matsui, leder af materialeforskningsafdelingen på Toyota Research Institute of North America . Han siger, at det vil identificere problemer med materialer meget tidligt i batteriudviklingen, hvilket giver forskere mulighed for hurtigt at sortere gennem kombinationer af batterielektroder og elektrolytter.

En lang række ting kan gå galt i et batteri. Den vigtigste indsigt i Dahns tilgang er, at mange sådanne problemer kan dukke op i en enkelt test - måling af forskellen mellem mængden af ​​ladning, der går ind i et batteri under opladning, og mængden, der kommer ud, når det aflades (også kaldet coulombisk effektivitet ). Hvis der kommer mindre ladning ud, end der kommer ind, spildes denne energi af uønskede reaktioner i batteriet. Disse tab summerer sig: Med på hinanden følgende cyklusser returnerer batteriet mindre og mindre opladning, indtil det til sidst ikke kan bruges.

Dahn har bygget et batteriopladningssystem, der kan registrere meget små tab af ladning, og på få uger identificerer tilstedeværelsen af ​​livsforkortende reaktioner, som ellers ikke ville vise sig før efter måneder eller års test. Dahn har brugt teknikken til at identificere subtile ændringer i kemien, der kan øge cykluslevetiden for en type batteri op til seks gange.

En sådan nøjagtig test var ikke nødvendig for lithium-ion-batterier, da de næsten udelukkende blev brugt til bærbar elektronik, der kun skal holde et par år. Men nu bliver batterier designet til at drive elektriske køretøjer eller til at lagre energi fra solpaneler, og de skal holde 10, 15, 20 år eller længere. Over sådanne spændvidder kan selv en lille ineffektivitet føre til store problemer.

Hvad mere er, blander batteriproducenter stadig mere komplekse elektrolytcocktails, hvoraf hver del kan ændre batteriets levetid markant. Elektrolytterne har noget i retning af 10 komponenter. Så vil du vurdere flere tilsætningsstoffer. Det er bare et mareridt, siger Dahn. Med konventionelle måleteknikker, siger han, er det svært at vide, om en ændring, du har foretaget, er god eller dårlig uden at lave en test, der er længere end din karriere. Ved nøjagtigt at måle coulombisk effektivitet, siger han, om et par uger har du alt.

Mark Mathias, leder af General Motors elektrokemisk energiforskningslaboratorium i New York, er ikke helt overbevist. Det Jeff laver er en meget god diagnostik. Jeg er enig i, at vi burde bruge det, men det er et værktøj, ikke et vidundermiddel, siger han. For det første fortæller den ikke forskerne, hvad der går galt i en celle. Mathias siger, at forskere har brug for en meget bedre forståelse af de underliggende årsager til effektivitetstab. Det ville hjælpe dem med at løse de problemer, som Dahns test identificerer.

Mathias er heller ikke sikker på, at testen vil vise sig pålidelig til måling af kalenderlevetid. Det kunne bruges til at hjælpe med at evaluere batterier, siger han, men den uheldige virkelighed er, at vi ikke kan vide med sikkerhed, at vi har en accelereret test, der efterligner 10 år, medmindre vi har testet i 10 år, siger han.

Dahn siger, at hans udstyr lige nu er nøjagtigt nok til at fortælle forskerne, om en bestemt ændring af batterikemien vil gøre forskellen på, om den varer 500 opladningscyklusser (nødvendig for et par års kørsel i et elektrisk køretøj) eller 1.000. Han arbejder nu med en udstyrsproducent for at forbedre processen for nøjagtige forudsigelser til omkring 10.000 cyklusser.

skjule