Det må vara självklart, men batteriet är kanske den mest centrala komponenten i en elbil. Men hur fungerar egentligen ett batteri, och vilka olika typer finns? Låt oss göra en genomgång.
I grunden är det ganska enkelt. Ett batteri omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Eller tvärtom, när det laddas upp. Tre delar behövs – två poler där partiklar av olik laddning ansamlas, samt en elektrolyt som agerar barriär dem emellan. Polerna kopplas till något man vill driva, och eftersom negativt laddade elektroner dras till de positivt laddade jonerna i batteriets pluspol så kommer till exempel din ficklampa att lysa. Alla de tre delarna förpackas sedan i ett hölje, och du har en battericell. Antingen i formen av ett vanligt AA-batteri, eller i formen av de celler som sitter i elbilars batterier, som oftast är av typen 18650. Benämningen kommer av dess mått, 18 mm i diameter, 65 mm i längd.
Grundprincipen är alltså densamma oavsett batteridriven pryl. Men givetvis är komplexiteten större i ett elbilsbatteri, som innehåller tusentals sådana celler. Jämfört med kanske två eller fyra sådana i exempelvis en powerbank till din telefon. När vi pratar batteriers egenskaper handlar lika mycket om hur alla dessa 1 000-tals celler hanteras, som cellerna i sig själva. Batterihanteringssystemet, eller BMS, är med andra ord minst lika viktigt som själva kemiska sammansättningen av batteriet – alltså vilka ämnen som batteriets poler (elektroder) och elektrolyt består av.
NiMH-batterierna utvecklades på 1970-talet, och var på 1990-talet en väldigt ny teknik. Första kommersiella batteriet hade lanserats 1989. Och även om det i elbilsvärlden numera är en utdaterad teknik, så används de fortfarande till många laddningsbara batterier.
Grunden till dagens elbilsbatterier lades också på 1970-talet, då det första fungerade litiumjon-batteriet skapades av britten Michael Stanley Wittingham. Tekniken förfinades av amerikanen John B Goodenough och japanen Akira Yoshino, innan det första litiumjon-batteriet lanserades kommersiellt av Sony 1991. De tre fick Nobelpriset i kemi 2019. I jämförelse med NiMH-tekniken ger en enskild litiumjon-battericell omkring tre gånger högre spänning, och i elbilar ger det därför betydande fördelar i form av vikt och volym.
Som namnet antyder fungerar litiumjon-batterier genom att positivt laddade joner av litium är ansamlade i batteriets positiva elektrod (anod). Men det blir inte rent litium som ansamlas. Även om de första experimentella batterierna fungerade just så, så blev det för farligt. Litium reagerar lätt och riskerar kortsluta batteriet. I stället används material där litium kan absorberas in i strukturen, ofta grafit, i anoden, och olika kemiska föreningar innehållande litium i den negativa elektroden (katoden). När batteriet laddas släpper litiumet från katoden och ansamlas i anoden. Även om de allra flesta elbilsbatterier i dag alltså är av litiumjon-typ, så är det därmed ett samlingsnamn för åtminstone tolv olika kemiska uppbyggnader. Här är några av de vanligaste.
Litiumjärnfosfat (LFP)
En typ av litiumjon-batteri som anammats av flera tillverkare på senare tid är så kallade litiumjärnfosfat-batterier. Här är batteriets katod gjord i just litiumjärnfosfat, med kemiska formeln LiFePO₄. Just LFP-batterier är huvudprodukten från kinesiska batterijätten CATL, som har en dryg tredjedel av marknaden. Andra exempel innefattar BYD:s så kallade Blade-batteri. Fördelarna med litiumjärnfosfat-batterier är framför allt priset, men de är också mer kemiskt stabila och hållbara än andra typer. Nackdelen är att de inte har lika hög energitäthet än andra typer, och att bilens räckvidd blir lidande jämfört med ett annat batteri av samma dimensioner. LFP-batterier finns exempelvis i instegsversionerna av Tesla Model 3 och Model Y, Citroën ë-C3, BYD, Xpeng och Fiat Grande Panda.
Litium-nickel-mangan-kobolt-oxid (NMC)
Ett steg upp i prisnivå från LFP-batterier hittar vi batteritypen med det lättuttalade namnet Litium-nickel-mangan-kobolt-oxid, vilket även här betecknar den kemiska sammansättning som används i katoden. Eller sammansättningarna, i plural. Ration mellan nickel, mangan och kobolt kan variera, från att ha lika delar av varje till att ha 80% nickel, och 10% vardera av mangan och kobolt. Förutom att NMC-batterierna är en aning dyrare än LFP, så har de högre energidensitet, vilket ger längre räckvidd, samt bättre prestanda i kall väderlek. Dock kräver de en mer avancerad batterihantering och kylning eftersom de inte är lika kemiskt stabila. Exempel på modeller som använder NMC-batterier är Hyundai Ioniq 5 och Ioniq 6, Kia EV6, Volvo EX90 och EX60, samt Volkswagen ID.4 och ID.7.
Litium-nickel-kobolt-aluminium-oxid (NCA)
Även NCA-batterier är ett steg upp från den billigaste nivån av batterier. Här består katoden av en förening bestående av nickel, kobolt, aluminium och syre, utöver litium. Förhållandet mellan nickel, kobolt och aluminium kan variera men med övervikt mot det förstnämnda. Oftast mer än 80% nickel. Energidensiteteen är hög, över 0,25 kWh per kg, och prestandan likaså. Men precis som NMC-batterier är NCA-batterier också dyrare, och kräver mer komplexa batterihanteringssystem. Även om typen är ovanligare så har Tesla använt NCA-batterier i Model X och Model S, och Audi använde NCA-batteri i Q8 e-tron. Volvo Lastvagnar har också valt NCA-teknik till sina eldrivna lastbilar.
Kommande utveckling – solid state och natriumjon-batterier
Medan de batterityper som dominerar i elbilar i dag främst skiljer sig genom materialet på elektroderna, så sker utveckling även i elektrolyten, det vill säga det som särskiljer polerna på battericellerna. I dag är elektrolyten flytande, eller gelformad, och består oftast av en slags litiumsaltlösning. I det som benämns som solid state-batterier ersätts den flytande och lätt brännbara elektrolyten med ett fast material. Detta tänks ge betydligt högre energidensitet, samtidigt som batteriet blir mer kemiskt stabilt. Toyota och BMW tillhör de som jobbar med att få solid state-batterier produktionsredo.
Medan de solid state-batterier som är under utveckling fortfarande är en slags litiumjon-batterier finns även en helt ny typ av batterier som är på väg in, baserad på natriumjoner i stället för litium. Natriumjon-batterier finns redan nu på marknaden från kinesiska CATL, och börjar hitta in i elbilar i liten skala. Utöver bättre säkerhet, och kemisk stabilitet, utlovas också att natriumjon-batterier ska klara kyla bättre, med 90% av kapaciteten bibehållen ner till –20°C. I dagsläget är dock energidensiteten inte i nivå med litiumjon-batterierna, men CATL säger att man hoppas nå dit inom tre års tid.
Visste du att: Innan batteriet, ingen elektricitet
Även om vetenskapen kände till elektricitet som fenomen sedan tidigare, från till exempel åskoväder, så var det först efter det att Alessandro Volta hade konstruerat det första batteriet år 1800 som man fick en tillförlitlig källa till elektricitet. Efter detta utvecklades den första elmotorn 1821, glödlampan på 1870-talet, och så småningom all annan elektronik vi tar för given i dag. Men batteriet kom först.
Källa: Teknikens Värld
