Omvärldsanalys Batterier för Elektrifiering

Transkript

1 Omvärldsanalys Batterier för Elektrifiering Skrivet av Patrik Larsson Volvo Personvagnar efter ett besök på Advanced Automotive Battery Conference Strasbourg, Frankrike Juni Utveckling inom cellmaterial För att rena elfordon skall kunna nå högt uppsatta volymmål måste framtidens batterier ha ett avsevärt högre energiinnehåll, till lägre kostnad men med lika bra eller bättre säkerhet och livslängd. Därför pågår det betydande aktiviteter för att få fram anod- och katod-material med högre energiinnehåll. Utveckling på Anod-sidan: Anod-materialen domineras idag stort av olika varianter av grafit. Även titanat används i applikationer där effekt, cyklingstålighet och temperaturfönster är viktigare än energitäthet. Utvecklingen pågår med nya anodmaterial som exempelvis kisel och tenn. Mest fokus verkar vara på kisel som i teorin har en faktor 10 högre specifik kapacitet jämfört med grafit. Den kraftiga expansion som uppstår för kiselanoder i samband med laddning begränsar dock den praktiskt möjliga förbättringen. Realistiskt tror man sig kunna hantera upp till 100% expansion vilket begränsar den praktiskt användbara specifika kapaciteten för anoden till cirka 1000 mah/g. Detta motsvarar en kapacitetshöjning på cellnivå på upp till 50%. Det finns hel del utmaningar kvar som exempelvis att behålla cyklingstålighet. Troligtvis kommer kisel-baserade anoder dyka upp först i cylindriska standardkonsumentceller där just cyklingskraven inte är lika tuffa samt att cylindriska celler lättare borde kunna hantera tryckökningen från expansionen. Utveckling på Katodsidan: Utmaningen är inte bara att få fram katodmaterial med högre potential och energi, utan dessutom utveckla elektrolyter, bindemedel och separatorer som tål den högre spänningen. Även här måste säkerhet och cyklingstålighet vara lika bra eller bättre än dagens varianter innan kommersialisering blir möjlig. Idag finns många olika katodmaterial som LCO, NMC, LMO, NCA och LFP. För fordonsapplikationer används inte LCO alls och applikationer med NCA blir mer ovanlig, speciellt för större celler med högre kapacitet. Första generationen NMC använder typiskt lika delar Nickel, Mangan och Kobolt, men tack vare bland annat utveckling av bättre separatorer med keramisk beläggning och nya additiv till elektrolyten, går utvecklingen mot mer Nickel och mindre Kobolt, och anammas av fler och fler celltillverkare.

2 Exempel på katodmaterial med potential att öka energiinnehållet ytterligare i framtiden är High Energy NMC eller 5V-spinel, men övriga egenskaper är ännu ej lika bra eller bättre. Cykling: 5V-spinel cyklingsdata visar på en faktor 10 lägre cyklingstålighet i dagsläget. HE-NMC tappar också kapacitet flera gånger snabbare än dagens NMC samt att spänningskurvan sjunker genom cyklingen, vilket försämrar användbar energi ytterligare samt skapar problem med SOC-noggrannhet kopplad till spänning över tid. Effekt- och temperatur-tålighet: 5V-spinel har liknande beteende som dagens NMC med avseende på relativ kapacitet vid högre urladdningshastigheter eller lägre temperaturer. HE-NMC har klart lägre förmåga att leverera vid högre urladdningshastigheter eller vid lägre temperaturer. Med tanke på kvarvarande utmaningar för HE-NMC och 5V-spinel, skall vi nog inte räkna med några stegeffekter i utvecklingen av energitäthet eller kostnad/energi i närtid, men med tanke på trenden för årliga förbättringar på konsumentcellsidan fortfarande är stabil, så är det ändå rimligt att anta att motsvarande förbättringstakt för celler till fordonsapplikationer genom traditionellt Kaizen-arbete. Superkondensatorer Många tillverkare av traditionella superkondensatorer Electric Double Layer Capacitor, (EDLC) redovisar effektprestanda på >10 kw/kg och cyklingsdata som visar kapacitans och inre resistans med små förändringar under tals cykler, vilket förstås är imponerande. Det verkar dock svårt att nå över 5 Wh/kg för EDLC, vilket begränsar antalet lämpliga applikationer. Det har gjorts många studier på hur man kan öka energiinnehållet för kondensatorerna och ett lovande sätt är skapa en korsning av kondensator och batteri, ofta kallad elektrokemisk kondensator, hybridkondensator eller asymmetrisk kondensator. Litiumjonkondesatorer är ett sådant exempel. ULTIMO TM från JM Energy är nu inne på generation två och har en produktionskapacitet på > celler/år. Litiumjonkondensatorn visar högre säkerhet jämfört med lituimjonbatterier, då den sägs inte kan gå i termisk bortspringning. Med data som >10 Wh/kg, > 10 kw/kg, låg inre resistans, låg självurladdning, bra livslängd, (8000 h vid full spänning, (3,8V) i 70 grader eller > 1 miljon cykler med endast marginell påverkan på kapacitans och inre resistans), kommer nog litiumjonkondensatorer hitta till fler och fler applikationer i framtiden.

3 Trender hos fordonstillverkare: De flesta större fordonstillverkare utvecklar elektrifieringskoncept på flera olika nivåer. Från micro-, mild- medium-, full-, ladd-hybrider, räckviddsförlängare till rena elfordon. Oavsett elektrifieringsnivå, så står batterisystemet för en betydande kostnad, vikt och volym. Därför ser man en tydlig trend där fordonstillverkarna tar mer och mer kontroll över de ingående delarna i batterisystemen. Genom att dela upp batterisystemen i delsystem så kan vissa delsystem användas till flera elektrifieringskoncept inom varje företag. På cell- och modulnivå är det lättast att hitta gemensamhet för laddhybrider, räckviddsförlängare och rena elfordon med tanke på behovet av energioptimering, alternativt gemensamhet för micro-, mild-, medium och fullhybrider beroende på behovet av effektoptimering. De flesta elektrifieringskoncept, speciellt över 60V, kan ha stor gemensamhet för kopplingsboxen innehållande kontaktorer, säkringar, förladdningsmotstånd, strömsensor och servicebrytare. Batteristyrenheten och speciellt dess mjukvara kan ha stor gemensamhet mellan olika elektrifieringskoncept. Kyllösningar kan skilja, men batterisystem med tuffa krav på tillgänglig volym i kombination med högre förlusteffekter använder nästan uteslutande vätskekylning. Det finns en stor spridning i hur fordonstillverkarna hittills designat sina rena elfordon inklusive batterisystemet. I början användes befintliga fordon som konverterades till eldrift, vilket medförde unika batterisystem, men nu börjar fler och fler göra dedikerade elfordon där batterisystemet oftast packas under golvet mellan axlarna. Dagens elbilsbatterier finns dock fortfarande i många varianter inom områden som, cellinneslutning, katodmaterial, celltillverkningsprocess, cellstorlek, (från konsumetceller på 2-3 Ah till celler på 200 Ah), kyllösningar, säkerhetskrav, leverantörsupplägg för systemintegration, garantiavtal och affärsmodeller i form av försäljning eller leasing. För batterisystem till PHEV och räckviddsförlängare finns också en viss spridning, men även mer och mer likheter. Nominell energi kan variera från 4,5-16 kwh men kapaciteten på ingående celler ligger typiskt på Ah. Celltillverkare som Sanyo, Samsung och GS Yuasa erbjuder celler i detta område och dessa används av Toyota, Ford, Audi, BMW, Porsche, Mitsubishi, Daimler och Honda. Dominerade katodmaterial för dessa celler är NMC enbart eller i kombination med LMO. Några använder även LFP. Stopp/start-applikationerna domineras idag helt av Bly-syra batterier och de flesta premiumtillverkare som BMW, Mercedes, Audi och Volvo använder idag cyklingståliga AGM-batterier. Volymtillverkare som Toyota, Ford VW och Honda tittar av kostnadsskäl på förbättrade traditionella blybatterier, så

4 kallade EFB, Enhanced Flooded Batteries och då både laddningsmottaglighet och cyklingstålighet har kunnat ökas delvis med hjälp av koladditiv till den negativa elektroden, så kommer EFB troligtvis ha den största volymandelen om några år. Även om utvecklingen av blybatterier fortfarande går framåt så kan dagens generatorer trots allt generera 200 A vilket är drygt dubbelt så mycket som 12V blybatterier kan ta emot. Jakten på reducerad CO2 driver fram alternativa energilager, men då blybatterier har bra köldstartsprestanda är svårslagna kostnadsmässig, ser man en trend att kombinera ett blybatteri med något som har ännu bättre laddningsmottaglighet och cyklingstålighet som superkondensatorer, NiMH-, litiumjon-celler eller litiumkondensatorer. Standardisering: De tyska biltillverkarna har genom VDA, (Verband Der Automobilindustri) tagit fram en cellmåttstandard som definierar dimensioner för cylindriska, prismatiska och pouch HEV, PHEV och EV-celler. Sanyos prismatiska HEV och PHEV-cell har stått som mall för standarden. LG Chems Pouch PHEV-cell har också använts för bredd och höjd. Samsung SDI har anammat standarden och levererar celler till både BMW i3 och i8. Ford och Audi använder Sanyos celler till HEV och PHEV. Historik och prognoser om volymer och kostnader för litiumjonceller Uppladdningsbara litiumjonceller har de senaste 10 åren haft en stabil volymökning på 25%/år uttryckt i tillverkad energi, men eftersom priset gått ner blir siffran 14%/år uttryckt i pengar. För 10 år sedan hade Japan 80% av marknaden, men nu är siffran för Japan nere under 40%. Sydkorea har nu 40% och Kina drygt 20% av totala litiumjoncellsmarknaden. Litiumjonceller till fordonsbranschen står för cirka 10% av totala marknaden, så celler för konsumentprodukter dominerar fortfarande stort. Kostnaden för konsumentcellerna har stadigt gått ner. Från 2005 till 2012 har cylindriska celler gått från 0,3 till 0,2 $/Wh och pouchceller från 0,8 till under 0,4 $/Wh i genomsnitt. År 2012 var tillverkningen av den cylindriska cellen drygt 30% högre än efterfrågan. När det gäller celler till fordonsbranschen så finns lite olika prognoser. Vad som är viktigt att hålla reda på är om prognosen är på cellnivå eller systemnivå. Det är även viktigt att förstå om prognosen avser extremt energioptimerade celler, som typiskt bara kan användas till rena elfordon, eller om prognosen gäller PHEV eller tom HEV celler som ju är mer effektoptimerade och därmed kostar mer per Wh.

5 Nedan följer några kostnadsprognoser inklusive förutsättningarna för dessa. Avicenne Energy, AABC 2013, anger ett medelpris på en energioptimerad elbilscell med NMC-katod till drygt 350 $/kwh för År 2020 prognostiseras motsvarande cells kostnad till knappt 200 $/kwh, givet en produktion på > pack/år. Systemkostnaden förutom cellkostnaden prognostiseras att gå från 250 $/kwh år 2011 till 70 $/kwh år Avicenne prognostiserar alltså systemkostnaden för ett energioptimerat elbilspack till strax under 270 $/kwh år De prognostiserar även att det skall tillverkas 1 miljon rena elfordon årligen år Dr. Menahem Anderman, AABC 2013, ger en cellprisprognos på 273 $/kwh för 36 Ah energioptimerade NMC/LMO pouchceller i en 1-Gwh cellfabrik runt år Om fabriken istället skulle göra prismatiska PHEV-celler med NMCkatod på 25 Ah så tror han priset skulle vara 350 $/kwh. Då nominell energi för ett PHEV system är klart lägre jämfört med ett elbilssystem, blir även systemkostnaden, (förutom celler) något högre per kwh för PHEV. Dr. Anderman bjuder inte på någon PHEV-systemkostnadsprognos för år 2020, (han vill ju sälja sin The xev Industry Insider Report ). Han säger dock att biltillverkarna kommer kunna packa 8-10 kwh i C-D bilstorlekar och givet att livslängd och säkerhet kan verifieras. Kostnaden kommer vara huvudutmaningen. 300 Euro/kWh diskuteras år 2020, men är inte givet, menar Dr. Anderman. Dr. Arnold Lamm, Daimler AG, presenterar just 300 Euro/kWh som möjligt pris för PHEV-system år 2020 i höga volymer och som jämförelse 220 Euro/kWh för EV-system. Överkapacitet Generösa statliga subventioner har medfört en snabb uppgång i antal cellfabriker för elektrifiering. I vissa fall har mer än hälften av kostnaden för cellfabriken betalts av subventioner. Dr. Anderman bedömer att den totala produktionskapaciteten för år 2013 är MWh, men den prognostiserade produktionen år 2013 endast MWh. År 2014 planeras dessutom nära en fördubblad produktionskapacitet. Denna extrema överkapacitet är den främsta orsaken varför många xevbatteri tillverkare kan lämna offerter på eller under självkostnadspris. Detta kan förstås gynna biltillverkare på kort sikt. Problem kan dock uppstå på lång sikt eftersom en sund bransch kräver en lönsam försörjningskedja. Vi har redan sett celltillverkare som gått i konkurs och fler lär det kunna bli i framtiden. Referenser: AABC, Strasbourg, Frankrike Juni 2013.