De auto-industrie bevindt zich midden in een revolutie, misschien wel de tweede na de eerste massaproductie van het Model T. Elektrische voertuigen worden aangekondigd en uitgebracht door vrijwel elke autofabrikant over de hele wereld. En hoewel het nog een hele tijd zal duren voordat de meerderheid van de voertuigen op de weg elektrische voertuigen zijn, worden er enorme sprongen gemaakt op het gebied van de EV-batterijtechnologie.
Key Takeaways
- Vastestofbatterijen zijn de meest veelbelovende ontwikkeling op korte termijn: ze beloven een hogere energiedichtheid, sneller opladen en verbeterde veiligheid ten opzichte van conventionele lithium-ionbatterijen.
- Lithium-ijzerfosfaatbatterijen (LFP-batterijen) winnen aan marktaandeel vanwege hun thermische stabiliteit en lange levensduur, zelfs bij een lagere energiedichtheid.
- Natrium-ionbatterijen komen steeds meer in beeld als een voordeliger alternatief voor instapmodellen elektrische voertuigen en stationaire energieopslag, waar energiedichtheid minder belangrijk is.
- Batterijbeheersystemen (BMS) ontwikkelen zich parallel aan de celchemie om het opladen, de thermische regeling en de SoH-tracking in realtime te optimaliseren.
- Servicemonteurs moeten veranderingen in de chemische samenstelling van EV-accu's in de gaten houden, omdat diagnoseprocedures en veiligheidsvoorschriften per accutype verschillen.
- De Midtronics xEV-diagnosetools zijn ontworpen om zich aan te passen aan de steeds veranderende architectuur van elektrische voertuigenbatterijen, en ondersteunen servicebedrijven naarmate het technologische landschap verandert.
Meer dan de helft van de potentiële autokopers geeft aan dat de angst voor een te kleine actieradius een belemmering vormt voor de aanschaf van een elektrische auto. Of het nu komt door capaciteitsbeperkingen of de tijd die nodig is om een batterij op te laden, het ontwikkelen en integreren van betere batterijen zal de komende tien jaar absoluut cruciaal zijn.
Dit is waar de huidige EV-batterijtechnologie staat en wat u tegen het einde van het decennium zou kunnen zien.
Lithium-ion batterijen
Een overweldigende meerderheid van de elektrische voertuigen wordt gebouwd met lithium-ionbatterijpakketten. Dit type batterij is te vinden in de best verkochte elektrische voertuigen die momenteel op de markt zijn, en er wordt beweerd dat dit ook in de modellen van de komende jaren zal gebeuren. Over het algemeen bieden li-ionbatterijen een hoge energiedichtheid, zijn ze licht van gewicht in vergelijking met oudere technologie, en kunnen ze veilig worden opgeladen. Ze hebben een lage ontladingssnelheid en leveren consistente energie tijdens het ontladen.
Li-ion-accu's zijn echter niet foutloos. Ondanks dat ze minder dan de helft van het gewicht van loodzuurbatterijen wegen, zijn ze behoorlijk zwaar als rekening wordt gehouden met de behoeften op lange afstand. Het opladen gaat ook relatief snel, maar duurt nog steeds veel langer dan het tanken van een ICE-voertuig.
Misschien wel de meest voorkomende zorg voor li-iontechnologie betreft de materialen. Of je nu kijkt naar de meest voorkomende ontwerpen van lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC), lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide (NCA), lithium-mangaanoxide (LMO) of lithium-ijzerfosfaat (LFP), ze gebruiken allemaal zeldzame aardmetalen. Hoewel het moeilijk met zekerheid te zeggen is, lijkt de inkoop van deze zeldzame en controversiële materialen onhoudbaar.
Voor de hedendaagse Li-ion-batterijen heeft elke samenstelling sterke en zwakke punten.
- NMC-batterijen hebben matige prestatie-, energie- en kostenvergelijkingen, maar hun thermische stabiliteit blijft achter bij andere opties.
- NCA-batterijen zijn doorgaans duurder en leveren uitstekende resultaten op voor specifieke energie en kracht, maar ze zijn vluchtiger.
- LMO-batterijen behoren tot de meest kosteneffectieve die momenteel op de markt zijn en zijn gemiddeld qua energiecapaciteit, maar hebben de laagste prestaties en levensduur.
- LFP-batterijen domineren vanwege hun thermische stabiliteit, veiligheid, kosten en levensduur, maar hun specifieke energie en vermogen zijn onder het gemiddelde.
Nikkel-metaalhydridebatterijen
Voor hybride elektrische voertuigen is nikkel-metaalhydride (NiMH)-technologie de meest gekozen oplossing gebleken. Autofabrikanten zoals Toyota gebruiken al sinds eind jaren negentig NiMH-batterijen in hybrides, en recente ontwikkelingen zoals bipolaire NiMH-batterijen zorgen ervoor dat deze technologie nog steeds relevant is. Ze kosten ongeveer de helft minder dan lithium-ion-accu's van dezelfde grootte.
Net als li-iontechnologie gebruiken NiMH-batterijen zeldzame aardmetalen zoals kobalt en lanthaan, en een hoog nikkelgehalte. Er zijn dus ook veel zorgen over het milieu voor deze batterijen.
NiMH-batterijen worden gebruikt voor toepassingen waar minder vraag naar is, en daarom gebruiken hybrides ze. Ze hebben ook een hoger zelfontladingsniveau en kunnen capaciteit verliezen als ze te veel worden opgeladen, maar dat wordt tenietgedaan door het laadniveau en de snelheid te matigen. Langzamer opladen is het beste voor NiMH-batterijen, en het is een van de redenen dat volledig elektrische voertuigen met een groter bereik deze technologie niet zullen omarmen.
Solid State-batterijen
De meest veelbelovende ontwikkeling voor elektrische voertuigen zijn wellicht de solid-state batterijen . Ze lijken sterk op lithium-ionbatterijen, maar in plaats van een vloeibare elektrolyt die de energie van de ene elektrode naar de andere transporteert, gebeurt dit via een veel energiedichter vast materiaal. Autofabrikanten investeren honderden miljoenen dollars in solid-state batterijen, omdat deze de omvang en het gewicht van de batterijen aanzienlijk zullen verminderen en ze stabieler zullen maken.
Omdat solid state-batterijen een grotere energiedichtheid hebben, kunnen ze met een vloeibare elektrolyt in een fractie van de tijd worden opgeladen als een li-ionbatterij. Een ander groot voordeel is de lange levensduur; Waar een li-ionbatterij na 1,000 oplaadcycli merkbaar achteruitgaat, wordt van solid-state batterijen gezegd dat ze “90% van hun capaciteit behouden na 5,000 cycli”.
Er is nog een hele weg te gaan voordat solid state-batterijen klaar zijn voor de markt, vooral op het gebied van het verlagen van de productiekosten. Er wordt beloofd dat dit de komende jaren mogelijk zal zijn.
Siliciumanodebatterijen
Grafiet wordt veelvuldig gebruikt in EV-batterijen, maar heeft beperkingen qua capaciteit. Ontwikkelaars werken aan ontwerpen die het grafiet in de anode vervangen door mesoporeuze siliciummicrodeeltjes en koolstofnanobuisjes. Silicium heeft grofweg tien keer de capaciteit als grafiet, en de implementatie ervan als een sleutelelement in batterijcellen zou zowel de actieradius als de oplaadtijden enorm kunnen verbeteren.
Een van de grootste voordelen voor siliciumanodebatterijen is een verminderde afhankelijkheid van grafiet, vervangen door een product dat is verfijnd uit as van gerstschillen. Het is een stap in de richting van het verminderen van de afhankelijkheid van de mijnbouw van zeldzame aardmetalen.
Kobaltvrije EV-batterijen
Misschien wel het meest controversiële materiaal dat wordt gebruikt in li-ionbatterijen voor elektrische voertuigen vanwege mijnbouwpraktijken in Congo, waar het het meest voorkomt. Kobalt wordt sterk gebruikt bij de productie van batterijen. Toekomstige ontwerpen van li-ionbatterijen zouden kobalt in de kathode kunnen afschaffen. Omdat kobalt zo zeldzaam en kostbaar is, zal de eliminatie ervan de prijs helpen verlagen voor een betere adoptie van elektrische voertuigen.
In plaats van kobalt hebben ontwikkelaars gewerkt met 89% nikkel en met gemakkelijk verkrijgbaar aluminium en mangaan voor de kathode. Naar verluidt heeft hij een hogere energiedichtheid dan een typische li-ionbatterij en kan hij ook een groter bereik bereiken met één keer opladen.
Elektroden van koolstofnanobuisjes
Koolstof gekristalliseerd in een zeshoekig patroon staat bekend als grafeen, en het is een enkele laag atomen. Batterijontwikkelaars bij NAWA Technologies zijn erin geslaagd koolstofnanobuisjes uit grafeen te maken voor gebruik als elektroden in EV-batterijen. Grafeenbuizen zijn verticaal uitgelijnd voor de elektrode en zijn extreem geleidend, wat zorgt voor ultrasnelle koolstofelektroden die binnen een paar jaar kunnen worden gebruikt.
De voordelen voor elektroden van koolstofnanobuisjes zijn enorm. Naast tien keer de energiecapaciteit kunnen ze extreem snel worden opgeladen. NAWA beweert dat een batterij in slechts vijf minuten voor 80% kan worden opgeladen. En omdat grafeen goedkoop in massa geproduceerd kan worden, kan het de batterijkosten aanzienlijk verlagen.
Samenvatting
Met de huidige lithium-ionbatterijen kun je honderden kilometers afleggen op één lading en gaan ze jarenlang mee in een EV. Toekomstige technologie zal veel sneller kunnen opladen en een hogere energiecapaciteit kunnen opslaan, allemaal in een lichter en kleiner batterijpakket.
Veelgestelde Vragen / FAQ
Wat is een solid-state batterij en wanneer zal deze beschikbaar zijn?
Solid-state batterijen vervangen de vloeibare elektrolyt in conventionele lithium-ioncellen door een vast materiaal, waardoor de energiedichtheid en veiligheid verbeteren. Verschillende autofabrikanten hebben aangekondigd dat ze eind jaren 2020 solid-state batterijen in elektrische voertuigen willen introduceren, hoewel commerciële schaalvergroting een uitdaging blijft. De onderhoudsprotocollen voor solid-state accupakketten zullen verschillen van die voor de huidige batterijen met vloeibare elektrolyt.
Wat is het verschil tussen de chemische samenstelling van LFP-batterijen en die van NMC-batterijen?
Lithium-ijzerfosfaat (LFP)-cellen zijn thermisch stabieler, hebben een langere levensduur en zijn goedkoper om te produceren, maar bieden een lagere energiedichtheid dan nikkel-mangaan-kobalt (NMC)-cellen. LFP-cellen worden steeds vaker gebruikt in basisuitvoeringen van elektrische auto's en bedrijfsvoertuigen.
Wat is een natrium-ionbatterij?
Natrium-ionbatterijen gebruiken natrium in plaats van lithium als ladingsdrager. Ze zijn goedkoper om te produceren en beter geschikt voor koude klimaten, maar bieden momenteel een lagere energiedichtheid dan lithiumbatterijen. Ze beginnen te verschijnen in goedkopere elektrische auto's, voornamelijk op de Aziatische markt.
Welke invloed heeft de chemische samenstelling van de batterij op de diagnose van elektrische voertuigen?
Verschillende chemische samenstellingen hebben verschillende laadcurves, spanningsbereiken en thermische profielen. Diagnostische hulpmiddelen moeten met deze verschillen rekening houden bij het beoordelen van de State of Health (SoH). Hulpmiddelen zoals de Midtronics xHVS-3000 zijn ontworpen om te werken met verschillende EV-batterijarchitecturen.
Vereisen toekomstige EV-accu's nieuwe onderhoudsprocedures?
Ja. Naarmate vaste-stoftechnologie en andere nieuwe chemische processen hun intrede doen, zullen technici behoefte hebben aan bijgewerkte training, gereedschap en veiligheidsprotocollen. Op de hoogte blijven van SAE-normen en OEM-servicedocumentatie is de beste manier om zich voor te bereiden.
Wat moeten winkels nu doen om zich voor te bereiden op de volgende generatie EV-accu's?
Investeer in flexibele diagnoseapparatuur, zorg ervoor dat monteurs HV-gecertificeerd zijn en houd OEM-servicebulletins in de gaten voor chemische specifieke richtlijnen. De Midtronics EV-oplossingenhub is een nuttig startpunt voor werkplaatsen die hun EV-servicecapaciteit willen uitbreiden.