Ny type elektroder oplader elbiler på fem minutter

En ny fabrikationsmetode giver batteri-elektroder, der tåler flere hundrede gange hurtigere opladningstid end nu. Det vil give elbiler en hurtig mulighed for at tanke strøm på rastepladser og ladestationer.

Lynhurtig opladning af alle slags batterier bliver gevinsten af en ny metode til at fremstille batterielektroder.

Forskere fra staten Illinois i USA har fundet en fremstillingsproces, som angiveligt giver elektroder, der tåler 400-1.000 gange hurtigere opladning end de nuværende. Det betyder, at et typisk lithium-ion-batteri kan oplades 90 procent på to minutter. Opdagelsen er netop blevet offentliggjort i forskningstidsskriftet Nature Nanotechnology.

»Hvis man kunne lade sin elbil op på fem minutter, så ville man bare køre ind på en ladestation for at fylde op - på samme måde som man i dag fylder benzintanken op,« siger professor Paul Braun, som har ledet forskningsholdet.

Her ses strukturen i de nye elektroder på et elektronmikroskop-foto. Man ser tydeligt de mange huller, hvor polystyren-kuglerne har siddet, mens nikkelstrukturen blev støbt. Det giver en luftig, svampeagtig struktur med en meget stor overflade. Velegnet til at bære det aktive elektrode-materiale. (Foto: University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois, USA)

En af elbilernes væsentlige ulemper, set i forhold til traditionelle biler med forbrændingsmotor, er, at det tager lang tid at 'fylde tanken'. Fuld opladning varer timer, mens en benzin- eller dieseltank kan tankes op med energi på et par minutter.

Problemet har endda ført til en business-case for firmaet Betterplace, som tilbyder en infrastruktur af batteriskiftestationer, hvor elbilister på få minutter kan få et fladt batteri udskiftet med et fuldt opladet.

Opladningstiden er altså en ekstra omkostning og en ekstra ulempe ved elbiler. Så lynopladning har været et ønske på batterifabrikanternes ønskeliste længe. Helst med en kraftig ladestrøm, der minder om det, de store ultrakapacitorer kan tåle. Ultrakapacitorer er kæmpestore kondensatorer, der optager en elektrisk ladning med lynende fart.

Tåler opladning med 100 gange større strøm

Men den energimængde, der kan oplagres i en ultrakapacitor, er lille i forhold til batteriets. I den bedste af alle verdener vil elbilernes energilager have en lagerkapacitet som et batteri og en ladestrøm som en ultrakapacitor.

Og det er præcis, hvad de amerikanske forskere lover med deres nye teknik. I laboratoriet har de foreløbig demonstreret nye batterier, som tåler opladning med en strøm, der er 10-100 gange større end de eksisterende batterier kan klare, skriver magasinet New Scientist.

Det handler ikke om batteriets kemi, kun om at opbygge elektroderne bedre. Derfor kan teknikken bruges til mange af de eksisterende batterityper, eksempelvis NiMh- og Lithium-ion-batterier. Det gode er, at den nye metode kun omfatter processer, som bruges i industrien i forvejen.

Princippet er enkelt. Først behandler forskerne en overflade med bittesmå, billige kugler, faktisk i nanostørrelse. Til forsøgene blev brugt kugler af polystyren. Kuglerne skal pakkes helt tæt, og det gør de af sig selv på grund af kuglefaconen. Derpå bliver de små mellemrum mellem kuglerne fyldt ud med metal, i dette forsøg var det nikkel.

Når metallet er stift, fjernes kuglerne ved smeltning eller opløsning. Tilbage står en svampeagtig metalstruktur med en meget stor overflade. Denne overflade bliver nu poleret øverst, så de mange kugleformede porer kommer til at stå åbne. Til sidst dækkes overfladen med en tynd belægning af det aktive materiale, som skal udgøre elektroden.

»Denne teknik er ikke bundet til en bestemt slags batteri. Det er et nyt paradigme i måden at tænke tre dimensioner ind i elektrodens struktur,« siger Paul Braun til bladet.

Ideen kan blive et fint supplement til andre batterier

Den danske ekspert i batteriteknologi, professor Poul Norby fra Risø DTU, siger:

»Det er et meget spændende resultat. Det er velkendt, at man prøver på forskellige måder at opnå en porøs struktur til elektroderne. Og denne metode ser god ud.«

Poul Norby mener ikke, at den velkendte opsvulmen af katoder bliver et problem med den kugleskabte struktur, fordi det aktive elektrodemateriale kun udgør et tyndt lag oven på nikkelstrukturen.

Han tror dog ikke, det bliver helt billigt at producere elektroder på den nye måde. Og der er også en anden bagside af teknologien, nemlig et fald i energitætheden.

»Det vil jo gå ud over energitætheden pr. kilo, fordi der bliver en nikkelstruktur under det aktive elektrodemateriale, som vejer med i batteriet. Men det kan måske accepteres, når opladningstiden er meget kort,« siger Poul Norby.

»Det er heller ikke sikkert, at denne nye teknik behøver at løse hele batteriproblemet alene. Måske kan der være to slags batterier i en elbil. Den nye teknologi kunne så erstatte en ultrakapacitor og beskytte et almindeligt lithium-ion-batteri mod hårde belastninger,« siger han.

Dokumentation

Artikel i New Scientist
Forskningsartikel i Nature Nanotechnology (koster cirka 100 kroner)

Kommentarer (16)

Det behøver vel ikke at være "lidt ondt ved elnettet".

Fremtidens tankstationer kan vel bare oplagre strømmen fra f.eks. vindmøllers og solcellers overskudsproduktion og fra solceller i kæmpestore batterier, som så kan fylde bilernes batterier op på 5 minutter - mens bilens fører strækker benene!

Det lyder da lidt som om den nye teknologi i væsentlig grad løser problemet med, at vindkraft produceres, når vinden blæser og solkraft, når solen skinner. Og vi får en reel mulighed for at erstatte fossil benzin og diesel med vedvarende energi.

  • 0
  • 0

Hvis ladestationen er forbundet korrekt til elnettet, f.eks. med sin egen transformer og man er lidt selektiv med hvor den placeres, så er 700A et begrænset problem

  • 0
  • 0

Det er en super god idé, men der skal en noget kraftigere elinstallation til. 16kwh er alt for lidt. Der skal minimum 50kwh til og gerne mere. Desuden er der vel typisk 8 pumper på en normal tankstation, så vi i praksis snakker mellem 25 og 50 gange så høj worst-case spidsbelastning.

Man kunne også begrænse det til at kun en kan lade ad gangen, men det vil da hurtigt blive en irritationsfaktor.

Mvh Søren

  • 0
  • 0

[quote]Jeg kan se at en Chevrolet Volt [http://www.chevrolet.com/volt/...lt/] kan ”rumme” 16 kwh, vil det så ikke sige at den for at kunne lade på to minutter skal trække:

(16kwh x 3600s)/120s = 480kw !

eller 700A ved 3 x 400V[/quote]
Den mest sandsynlige metode bliver nok at man holder et stort stationært batteri opladet via gridden. Sådanne batterier tjener samtidig til frekvensudligning på nettet, og bliver i stigende grad installeret til den amerikanske grid.

Fra sådanne batterier kan man uden problemer trække den nødvendige effekt til lynladning.

Selve ladeanordningen er et andet spørgsmål, for det er hverken forsvarligt eller praktisk at håndtere så store strømme via et "normalt" kabel/stik. For at lade med 1000 A, kræves kobberledere på over 20mm i diameter.

Jeg kunne forestille mig, at for at åbne mulighed for udnytte meget store effekter, vil man øge spændingen til 7-800 V.

Med 700 V og Ø 24mm elektroder, han man lade 30 kWh på 2 minutter.

I stedet for en stander med et ladekabel, kan jeg forestille mig at bilen forsynes med et stort hunstik i bunden af bilen, dækket af med en automatisk aktiveret lem.

Bilen køres så ind over en aktuator, som selv finder ladestikket og skyder elektroderne op i stikket, inden der sluttes strøm.

Det ville trods alt være en meget mere simpel anordning en d en batteribyttestation.

Det ville ikke kræve mere stationær batteri, end en byttestation alligevel skal have stående på lager af byttebatterier, så med batterier der kan tåle mange ladecykler med 50C, er det faktisk en aldeles realistisk løsning.

Faktisk kan både jernfosfat og titanat batterier kan klare ladeeffekter på 20-30C, hvilket betyder at 80% opladning kan ske på 2-3 minutter, så de hurtige opladninger er jo allerede indenfor rækkevidde.

Problemet er kun, at sådanne effekter afkorter jernfosfat-batteriers cykluslevetid markant. Titanatbatterier kan bedre tåle det, men er meget dyre og har relativt lav energitæthed.

  • 0
  • 0

Det er jo ikke blot ladestanderen der skal kunne levere det og kablet.
Der skal også noget heftig elektronik i ladekredsløbet i bilen. Faktisk 10 gange heftigere end det der bruges til motoren alene. Selv ved et tab på blot 2% er det 10kW varme der skal bortskaffes. Så skal elbilerne have en køler ligesom gammeldags biler.

  • 0
  • 0

Der skal også noget heftig elektronik i ladekredsløbet i bilen. Faktisk 10 gange heftigere end det der bruges til motoren alene. Selv ved et tab på blot 2% er det 10kW varme der skal bortskaffes. Så skal elbilerne have en køler ligesom gammeldags biler.

Det er jeg ikke enig i. Ladestrømmen går direkte til batteripolerne, og behøver således kun de ret korte kabler på Ø 20mm, og et par sikkerhedsrelæer af samme kaliber.

Det varmetab du taler om absorberes i første omgang i 300 kg batterimasse, hvorefter det afgives langsomt. I forhold til 300 kg masse, er 10 kW i 2-3 minutter ikke meget. Det giver kun en temperaturstigning på få grader.

Desuden er varmetabet heller ikke så stort, når bare kablerne er dimensioneret korrekt ift strømmen. Et 60 Ah LiFePO-batteris indre modstand er på ca 1 mOhm, så jeg gætter på max 4 kW varmetab, mens det står på.

  • 0
  • 0

Jeg tænkte altså mere på elektronikken, ensretter switcher osv. Det må koste noget at sætte effekten der skal behandles op med en faktor 10.
Men fordelen er at motorbremsen så kan optage en katastrofeopbremsning, hvis ellers elmotoren kan klare det.

  • 0
  • 0

Jeg tænkte altså mere på elektronikken, ensretter switcher osv. Det må koste noget at sætte effekten der skal behandles op med en faktor 10.
Men fordelen er at motorbremsen så kan optage en katastrofeopbremsning, hvis ellers elmotoren kan klare det.

Der er ingen ensretter i kredsen, indenfor bilen i hvert fald. Switchen er en elektromekanisk enhed, der blot skal dimensioneres. Den skal dog ikke være tykkere end de connectorer der forbinder alle battericellerne i kredsen, for at batteriet kan klare de 20-30C det allerede er ratet til.

Når ladestrømmen hentes fra at andet (større) batteri, er der reelt kun tale om dumpladning, hvor to batterier parallelforbindes. Der skal dog være en effektregulering, hvori der uundgåeligt vil være noget energitab, men denne skal ikke foregå i bilen, men i selve det stationære ladeaggregatet.

  • 0
  • 0

En bil med et 16kWh batteri som skal lades på 2 minutter, for at lade fra 30-90% skal vi modtage 60% af 16kWh = 9,6kW

For at nå det på 2 minutter skal vi trække 30*9,6kW = 288kW

En sjatlader som den fra Aker Wade kan kun levere 250kW, vi ryger altså nogle få sekunder over de 2 minutter, og det et stadig sjatladning, hvis der skal toppes op til full charge kan vi ikke udnytte den store ladeeffekt, og de sidste 10% vil tage adskillige minutter.

Med et trailer batteri på 2.500kWh med 20.000kW peak effekt, som back-up batteri kan en fast charger køre adskillige timer uden adgang til gridden.

http://akerwade.indigofiles.com/AkerWade_E...
(jeg måtte opdatere min pdf reader før ovenstående fil kørte uden pauser og uden io fejl)

  • 0
  • 0

Hvordan kan det være at de polystyrenkugler kan holde til temperaturer over 1455 grader uden at smelte?

  • 0
  • 0

Hvordan kan det være at de polystyrenkugler kan holde til temperaturer over 1455 grader uden at smelte?

Hvor står det at man hælder flydende nikkel ud over kuglerne?

Det står der ikke direkte men mon ikke man pådamper metallet, hvorefter man kan opløse styren kuglerne med opløsnings midler eller man kan smelte dem til at løbe fra.

  • 0
  • 0

Det er super nyheder, hvis elbilproducenterne så også vil tage det til sig.Better Place som for mig at se er et hustler projekt, hvor man betaler overpris for både biler og batterileje, kan godt pakke sammen hvis fremtidige elbiler får denne form for lynladning...

  • 0
  • 0

Tåler de også afladning, med 100 gange større strøm? Kan de bruges som batteri, til at levere kæmpe energi i kort tid, uden at blive ødelagt?

  • 0
  • 0