Hur fungerar elektriska batterier och vad påverkar deras egenskaper?
Som en del av målet att ta itu med klimatförändringarna använder fler och fler människor elfordon, som bara producerar en bråkdel av koldioxidutsläppen som sina bensindrivna motsvarigheter.
Men hur fungerar batterierna i dessa elfordon, och vad avgör hur långt en elbil kan räcka och hur länge de håller?
Hur fungerar elbilsbatterier?
Batterier lagrar energi genom att blanda joner, eller laddade partiklar, bakåt och framåt mellan två plattor av ett ledande fast ämne som kallas elektroder. Den exakta kemiska sammansättningen av dessa elektrodmaterial avgör egenskaperna hos batterierna, inklusive hur mycket energi de kan lagra, hur länge de håller och hur snabbt de laddas efter användning.
Relaterat: Är en elbil bättre för planeten?
Viktigt är att varje elektrod måste vara gjord av ett annat material så det finns en energiskillnad mellan den positiva änden och den negativa änden av batteriet, känd som spänningen. Men båda materialen måste också innehålla samma typ av jon i sin kemiska struktur som de måste lagra, och senare överföra dessa laddade partiklar från en elektrod till den andra när batteriet används. Men det finns ytterligare en viktig komponent: att leda vätska.
”De två elektroderna vidrör absolut inte varandra. Om de gjorde det skulle du inte kunna utvinna någon användbar energi och batteriet skulle bara bli varmt”, säger Jeff Dahn, en energilagringsexpert vid Dalhousie University i Kanada. Live Science. ”Så du separerar dem och lägger en elektrolyt, en typ av ledande vätska, som innehåller samma vanliga jon däremellan.”
Så snart kablar är anslutna till batteriet, och slutför kretsen, rör sig joner från högenergielektroden (den negativa polen) genom elektrolytlösningen mot lågenergielektroden (den positiva polen). Samtidigt rör sig elektroner också från negativa till positiva genom ledningarna. Denna kontrollerade rörelse av laddade partiklar gör att förare kan hämta ström från batteriet.
Vad är elbilsbatterier gjorda av?
Elbilar använder vanligtvis litiumjonbatterier, som transporterar litiumjoner mellan elektroderna. ”Litiumjonbatterier har ganska otroliga egenskaper. De är mycket justerbara, så vi kan designa dem för att passa en specifik tillämpning genom vårt val av material för elektroderna och elektrolyten,” sa Dahn. ”Litium-nickel-mangan-kobolt-oxid-batterier (NMC) används i elbilar och finns i en mängd olika smaker beroende på vilken prestanda du vill ha.”
Specifikt används nickel, mangan och kobolt i den positiva elektroden, och det exakta förhållandet mellan dessa metaller bestämmer batteriets egenskaper. Biltillverkare måste jonglera med många konkurrerande faktorer – inklusive körräckvidd, batterilivslängd, vikt och kostnad – för att skapa det mest lämpliga fordonet för sina kunder.
Nästan alla NMC-batterier använder samma elektrolyt och negativ elektrod. Men kemister kan justera batteriegenskaperna ytterligare genom att lägga till speciella tillsatser till dessa komponenter. Att justera kemiska förhållanden kan påverka egenskaper som laddningstider och säkra driftstemperaturer.
Vad bestämmer elfordons räckvidd?
Så hur påverkar kemin räckvidden för ett elfordon?
”En hög andel nickel ger dig en utmärkt energitäthet – det är mängden energi per volymenhet – så du har en lång räckvidd för ett litet batteri,” sa Dahn.
Energitätheten bestäms av spänningen mellan de två elektroderna och hur många litiumjoner materialet kan hålla. Elektroder med nickel bildar en kristallstruktur som kan packa in fler litiumjoner.
Nackdelen?
”Det är dyrt, och livslängden kommer att vara kortare än material med lägre nickel (men fortfarande längre än de flesta andra bilar),” sa Dahn. ”Å andra sidan är mangan 20 gånger billigare, men ”energitätheten är lägre så din driving range kommer att bli mindre.”
Kobolts roll är lite mer komplicerad, men man tror att en liten mängd hjälper elektroderna att effektivt utbyta de laddade partiklarna med elektrolyten.
Hur länge håller elbilsbatterier?
EV batterier håller vanligtvis 10 till 20 årenligt JD Power. De specifika tillsatserna i både elektrolyten och i elektroderna kan dock öka livslängden. Både svavelhaltiga föreningar som etylensulfat och metylenmetandisulfonat och komplexa elektrolytsalter som litiumdifluorfosfat minskar kemisk och mekanisk nedbrytning av elektroderna. Ett skyddande lager täcker den reaktiva ytan på varje elektrod och dessa tillsatser bibehåller styrkan i detta försvar samtidigt som de ökar den totala batterieffektiviteten, enligt ”Lindens Handbook of Batteries,” Fifth Edition (McGraw Hill, 2019).
Andra faktorer, som t.ex hur mycket laddning ett batteri vanligtvis bärladdningshastighet och temperatur kan påverka batteriets livslängd. Att hålla en bil vid antingen 0 % eller 100 % laddning eller använda höghastighetsladdning förkortar till exempel dess livslängd. Det beror på att dessa faktorer stressar batteriet och ökar den mekaniska belastningen på elektroderna. Varje gång du laddar eller laddar ur ett batteri drar spänningsskillnaden litiumjoner in i eller ut ur kristallstrukturen. Ju fler joner som måste röra sig, desto mer sannolikt är det att elektrodernas kristallstruktur kommer att skadas, sa Dahn.
