1

Göran LindberghKTH Skolan för kemivetenskapTillämpad elektrokemiStockholm

Transportforum 2010Linköping, 13 januari 2010

Batteriteknikens utveckling

2

Snart kommer alla bilar att tanka el, eller finns det hinder?

3

Agenda

• Introduktion• Batteriers egenskaper• Ett kort exempel på resultat från pågående

forskning• Batteriers begränsningar• Slutsatser

4

Toyota Prius - HEV

5

”Well-to-wheel”-verkningsgrad

6

Från elhybrid till elbil eller bränslecellsbil?• HEV

Elhybridfordon, använder el som en effektbuffert• PHEV

”Plug-in hybrid”, laddhybrid, kortare sträckor ren eldrift och kan laddas från nätet

• EV eller BEVElfordon eller batterielfordon, endast eldrift och laddas från nätet

• FCVBränslecellsfordon, är sannolikt ett elhybridfordon

7

Parallell- och seriehybrid

Parallellhybrid och seriehybrid

8

Batterier för portabel elektronik

9

Batterier - från nanometer till meter

Li+

Li+

Li+

Li+

e-

Li

10

Svenskt Hybridfordonscentrum (SHC)Partners: • Energimyndigheten, universiteten och svensk

fordonsindustri

Övergripande mål med området energilager inom SHC: • Att utveckla området batterier genom att basera det

på teknik och vetenskap

Delmål:• Att för ett hybridfordon med given livslängd utnyttja

energilagret maximalt• Att för varje tillämpning och tidpunkt välja ”det

bästa” energilagret• Att utveckla bättre energilager

11

Simulera cellspänning-ström under en hybridcykel

12

Elektrolytkoncentration under en hybridcykel

13

Prestandamått för batterier

• CellspänningEcell =Epositive - Enegative [V] (≈ 4 V for Li-ion)

• Specifik kapacitetCs = Q/m [Ah g-1] (eller laddningsdensitet [Ah l-1])

Teoretisk kapacitet: Cs,th =nF/M där M är molmassan, F är Faradays konstant

För Li-jon (LiC6 + 2Li0.5CoO2 --> C6 + 2LiCoO2): M ≈ 260 g/mol --> Cs,th ≈ 100 Ah/kg

• Specifik energiWs = Ecell * Cs [Wh kg-1] (eller energidensitet [Wh l-1])

För Li-jon: Ws,th ≈ 4 * 100 = 400 Wh kg-1

E0/V

F2 + 2e- ⇔2F- 2.87Au+ + e- ⇔Au 1.68Au3+ + 3e- ⇔Au 1.50PbO2+4H++2e- ⇔ Pb2+ + 2H2O 1.455Cl2 + 2e- ⇔2Cl- 1.35954H+ + O2 + 4e- ⇔ 2H2O 1.229Ag+ + e- ⇔ Ag 0.7991Fe3+ + e- ⇔ Fe2+ 0.771Cu+ + e- ⇔ Cu 0.521Hg2Cl2 + 2e- ⇔2Hg+2Cl- 0.2681Cu2+ + 2e- ⇔ Cu 0.337AgCl + e- ⇔ Ag + Cl- 0..2224Cu2+ + e- ⇔ Cu+ 0.1532H+ + 2e- ⇔H2(g) 0Pb2+ + 2e- ⇔Pb -0.1288Ni2+ + 2e- ⇔Ni -0.25Cd2+ + 2e- ⇔Cd -0.4019Cr3+ + 3e- ⇔Cr -0.41Fe2+ + 2e- ⇔Fe -0.440Zn2+ + 2e- ⇔Zn -0.76312H2O + 2e- ⇔2OH- + H2(g) -0.8281Al3+ + 3e- ⇔Al -1.66Na+ + e- ⇔Na -2.7141Li+ + e- ⇔Li -3.045

Tabell 2.2 Standardpotentialer vid 25°C för ett urval elektrodreaktioner

Vattnets

stabilitetsområde

15

Ragone-kurvor för olika system

Lead-acid

Capacitors

Fuel Cells

IC Engine

HEV goal

3.6 s36 s0.1 h1 h

10 h

100 h

Ni-MH

Li-ion

3.6 s36 s0.1 h1 h

10 h

100 h EV goal

3.6 s36 s0.1 h1 h

10 h

100 h

1

2

4

6

10

2

4

6

100

2

4

6

1000

Spe

cifi

c E

nerg

y (W

h/kg

)

100

101

102

103

104

Specific Power (W/kg)Acceleration

Ran

ge

Source: Product data sheets

16

Utvecklingen av batterier

17

Vad kan vi förvänta oss av batterier i framtiden?Batterier för elhybridfordon kommer att:• bli säkrare,• bli billigare,• byggas med större celler,• få bättre och jämnare kvalitet,• ha förbättrad livslängd,• ha bättre och mer avancerade kontrollsystem.

Men:• energitätheten kommer på kortare sikt bara att

förbättras marginellt.

18

Kostnadsmål litiumjonbatterier

• US (USABC)Optimistic projection US$ 250/kWhGoal US$ 150/kWh

• Japan(METI)2007 US$ 1644/kWh2010 US$ 822/kWh2015 US$ 247/kWh2020 US$ 164/kWh2030 US$ 41/kWh

19

Batteriers begränsning

Förbränningsmotoreller bränslecell

Batteri

Systemetsvolym eller vikt

Energimängd / kWhel biobränslen

eller vätgas

20

Antal hybridfordon som kan ”försörjas” per hektar yta

Number of hybrid passenger cars which can be supplied from one hectare of land.”Yeald of Biofuels versus Hydrogen from Photovoltaics and Wind Power”, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH

21

Honda FCX Clarity, en bränslecellshybrid för framtiden!

22

Slutsatser

• Hybridisering med batterier sänker energiförbrukningen för alla typer av fordon.- Vi kommer att se en hybridisering av allt fler fordon.

• Batterierna kommer att bli bättre och billigare. Ren batteridrift för alla fordon är däremot vare sig tekniskt eller ekonomiskt möjligt idag.- Det kommer att finnas kvar ett behov av en ”primär” energiomvandlare på de flesta fordon.- Tillgången på biobränslen kommer att vara begränsad.- Vätgas och bränsleceller ger möjligheter att effektivt ”paketera el” i fordon för större räckvidd.

• Det finns ingen konflikt mellan batterier och bränsleceller i fordon.- Det finns inget ”eller”, framtidens fordon är en hybrid med en bränslecell ombord.