Lithium batteri teknologi i niche og arbejdskøretøjer Teknologisk Institut. Kjeld Nørregaard, , kjn@teknologisk.

Transkript

1 Lithium batteri teknologi i niche og arbejdskøretøjer Teknologisk Institut Kjeld Nørregaard, , kjn@teknologisk.dk 1

2 Hirtshals Gothenburg Kolding Aarhus Odense Taastrup Roskilde Danish Technological Institute Teknologisk Institut AB (Sverige) FIRMA 2000 Sp. z o. o. (Polen) Dancert A/S Danfysik A/S Poland DTI Robotics US, Inc. (USA) Warsaw 2

3 Batterieffekt Nye batterier åbner for mange nye muligheder og udfordringer i fremtiden. Hvorfor er Lithium batterier en god ide? CASE: Analyse af elknallert Opgradering af batteri pakke på scooter (Bly Li-Ion) Verificeret ved målinger: Gammel batteri pakke: 60 kg / 1350 Wh energitæthed 22,5 Wh/kg Ny batteripakke: 15 kg / 1988 Wh energitæthed 133 Wh/kg (uden sikkerhedssystem og batterikasse) En forbedring på 5,9 gange! Batterieff ekt Batterieffekt [W] Interval [30 sekunder] 3

4 CASE: Analyse af elknallert Kapacitetsmålinger på Li-Tec Li-ion batterier (efter EN / EN / TI Postcyclus) Ny Li-tec 50,4 V / 40 Ah Lithium ion Estimeret kapacitet: 1988 Wh v/ti Postcyclus Li-Ion cellerne holder hvad de lover! Li-Tec ID# I I EN EN TI post cyklus 40,8 Ah 151 Wh 39,6 Ah 140,3 Wh 40,6 Ah 143,0 Wh 41,5 Ah 149,2 Wh 38,9 Ah 138,0 Wh 40,3 Ah 141,9 Wh Sammenligning lithium-ion / bly-syre Bly-syre Lithium-ion Stemplet kapacitet 2400 Wh 2016 Wh Dynamisk kapacitet 1368 Wh -43% 1988 Wh -1,4% Vægt 60 kg ~20 kg incl. sikkerhedssystem Volumen 22,5 L 16L Incl. Sikkerhedssystem Reel energitæthed 61 Wh/L 124 Wh/l 23 Wh/kg 100 Wh/kg 4

5 Udvikling af Li-Ion teknologien energitæthed Fortsat teknologisk udviklingspotentiale 300 Wh/kg 300? Bellcore DARPA Mass Mass Mass Mass Sony plastic EV PLI produced produced produced produced 1100 Li-ion mah 1200 mah mah mah mah mah mah Mass produced mah (?) 2015 Priser og tilgængelighed. En 2012 rapport fra McKinsey & Co vurderer at batteriprisen skal ned på 250$/kWh for at elbiler bliver attraktive for bilfabrikkerne. Niveauet er nu i følge McKinsey & Co på 500 $/kwh to 600 $/kwh Der er dog udsigt til at priserne kan komme ned: Stor skala produktion kan sænke prisen med 33% Billigere komponenter og materialer til batteriproduktion kan give 25% Forbedringer i batteri teknologi. McKinsey & Co forventer en kapacitetsforbedring på 80% til 110% over de næste 8 år 13 år, svarede til en 40% - 45% prisreduktion Råstof reserver? Der er rigeligt lettilgængeligt lithium også uden for Kina Sjældne jordarter findes også uden for Kina Tankevækkende: Kina står for > 97% af produktion World Wide 5

6 Forskellige pris indikationer Producent Pris/Wh Bemærkning Winston (Li-Fe-P-O4) LiTec (Li-Co-O2) A123 (Li-Fe-P-O4) AltAirNano (Li-Ti-O) Kokam (Li-Co-O2) 0,27 0,5 Stor leverandør Jævne specifikationer Battericeller op til 13000Ah 1 Europæisk producent Lang levetid? Små celler kan lynlades Lang levetid Meget robuste 1,8-2,4 Kan oplades på 10 min. Stort set usårlige Lang levetid 0,7 Vurderes ofte som Best buy mht. kvalitet, men var med i 3 danske elbil brande. Battericelle Bemærk: -Charge current -Standard discharge -Maximum discharge current 6

7 Om battericeller - fra battericelle til batteripakke Parallel forbindelse -Øger strømkapacitet -Batterierne deler belastningen -Mængden af lithium på anode og katode kan variere fra batteri celle til batteri celle Serie forbindelse -Øger spænding -Batterierne har samme ladestand -Mængden af lithium på anode og katode er ens for alle batterier Udvalgte batteripakke: -Fiat efiorino -Tesla Roadster -EVT knallert -Citroen C1e 72S1P 99S69P 14S1P 25S1P 13 Batteripakkens spænding ift. ladestand 14 Kilde: 7

8 Batteripakkens spænding under afladning 15 Temperaturens påvirkning af kapaciteten 16 8

9 Batteri teknologi og batteripakker Den tynde sandwich bliver så spolet op til cylinderceller eller foldet til pose-celler. 17 Katode struktur - NØRDALARM LCO har høj energitæthed, men er mindre robust, lagene kan falde sammen og hindre Li-ioner i at finde på plads igen. Flere andre typer har en mere robust mekanisk struktur som tillader mobilitet af Li-ioner uanset ladestand. 9

10 Fejlmekanismer i LCO-batterier i overblik Batterisikkerhed - celleovervågning De fleste Lithium batteri typer kræver aktiv overvågning og beskyttelse for at udnytte kapaciteten uden at risikere at et batteri løber termisk løbsk 20 10

11 Katode kemi - NØRDALARM 21 Kilde: Lithium batteries Science and technology p.9 El Bil test på Værløse flyveplads 11

12 Test duty cycle for vehicles Batteri degraderingsmodel Degradadering afhænger af mange parametere Temperatur Afladningsrate Opladningsrate Afladningsdybde Ældning Teknologisk Institut integrerer en batteri degraderingsmodel i et simuleringsværktøj til køretøjer, så slidtage på grund af forskellig anvendelse eller ruter kan sammenlignes. Degraderingsparametere på celle-niveau karakteriseres i batteri laboratoriet 12

13 Omkostningsmodel Laboratorium for Elektrisk Energi, Batterier og Brændselsceller 13

14 Batteri Laboratorium Batteri degraderingstester Batteri degraderingstester Max 200A / 5V pr celle 50 C 50 C 5 C 20 C -20 C 14

15 Test Matrix Cycle test 5 C 25 C 50 C C-rate Charge C-rate Discharge SoC % DoD % 3 1/3 1/ / / / / /2 1/ /2 1/ Cycling and storage at 50 C 15

16 Cycling, storage, performance test at 25 C Cell for degradation test 16

17 Battery cells in the Fixture Protocol: Initialization 10 cycles 1. Initialize cell at 25 C Run 10 cycles to assure Capacity is stable 17

18 Protocol: Initialization one cycle Cycle aging 18

19 A. Jossen et al. / Journal of Power Sources 154 (2006) Batteries can reduce the need for peak power A small utility truck has a 2kW average consumption (< 25% of peal power.) 8kWh battery provide up to 4 hours driving without pause. Adding a 1kW range-extender doubles available time to 8 hours driving Effekt [W] Tid [s] 19

20 Brændselsceller - EcoMotion Muligheder for el og hybrid i Danmark R&D Demonstration Produktion Infrastruktur interface Personvogne Lettere varevogn * ++ Tungere køretøjer busser Tungere køretøjer - lastvogn * * + Niche køretøjer Med tiden bliver der flere muligheder for at deltage i udviklingen hos OEM producenter. Inteligent interface inklusiv ladning, afregning, rangeextender m.m. kjn@teknologisk.dk

21 Husk at rapid prototyping kan være genvej til prototyper. Her eksempel på af SLA-printede flow kanaler til brændselscelle. Kan også benyttes til opbygning af avanceret batteripakke. Viden og det rigtige sikkerhedsudstyr er livsvigtigt! - og det kræver en grundig uddannelse. 21

22 Tak for opmærksomheden. Spørgsmål? Kjeld Nørregaard Program leder Elektrisk teransport Teknologisk Institut