Lyt til dit batteri og undgå at det overoplader eller selvantænder

torsdag 27 jul 17

Kontakt

Poul Norby
Professor
DTU Energi
46 77 47 26

Ejere af elbiler og elcykler har oplevet, hvordan batteriet i lang tid har stort set samme mængde strøm tilbage, for så pludselig at gå strømdød. DTU Energi har i samarbejde med franske forskere udviklet en ultralydsmetode, så man nu kan lytte sig til, hvor meget energi der er tilbage i et genopladeligt batteri.

Amerikanerne har i stor stil taget elbiler til sig ligesom europæerne. Ifølge Bloomberg New Energy Finance steg salget af batteridrevne biler i USA og EU henholdsvis 49 og 38 procent til et brutto salg af 73.327 biler solgt i alt i USA, EU plus Norge og Schweiz i første kvartal 2017.

Salget af elektriske cykler stiger også markant, idet hver syvende solgte cykel i dag er batteristøttet.

Elektriske biler og cykler er blevet populære, fordi de er hurtige og miljøvenlige, men anvendeligheden af de elektriske to- og firehjulede køretøjer afhænger af batteriet, og en stor ulempe ved de genopladelige batterier, der anvendes i elbiler og cykler, er vanskeligheden ved at måle energiniveauet i batteriet.

"De akustiske metoder betyder, at man ikke skal skille batteriet ad for at kunne få data"
Nicolas Guillet, forsknings- og udviklingsingeniør, CEA

LiFePO4-batterier, også kaldet LFP-batterier, er gode til f.eks. elektriske cykler og biler, fordi batteriet både har stabil afladning og beholder spændingen over lang tid. Men batteriet og andre batterier af samme type har det problem, at de først aflader meget jævnt hvorefter afladningen pludselig går stejlt ned og efterlader batteriet afladt, dvs. strømdødt. Og det er svært at måle, hvor meget energi der er tilbage i batteriet.

Ejere af elbiler og elcykler har oplevet, hvordan batteriet i lang tid har stort set samme mængde strøm tilbage, for så pludselig at gå strømdød. DTU Energi har i samarbejde med franske forskere udviklet en ultralydsmetode, så man nu kan lytte sig til, hvor meget energi der er tilbage i et genopladeligt batteri.

Lyt dig frem til defekterne

Nu har DTU Energi i samarbejde Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) fra Frankrig udviklet en metode, der ved hjælp af ultralyd kan måle ladestanden i et batteri, dvs. hvor meget energi der er tilbage. Det vil medvirke til at forhindre pludselige strømtab i elektriske biler og cykler eller mere dramatiske episoder som SAMSUNG 7, Boing 787 og hover boards, hvor genopladelige batterier har selvantændt på grund af latente defekter, der ikke blev opdaget i tide, før batterierne blev overopladet.

”CEA har udviklet en akustisk metode til at se på batterier, så de kan hente en masse analyseinformationer ud ved at se på lydspektret. Samme metode bruges til at se på møllevinger”, siger professor Poul Norby, der var leder af det nu overståede EU-finansierede forskningsprojekt Hi-C. Projektet fokuserede på lagring af energi, hvor batteriers stabilitet, lagring og transport af ioner og elektroner er vigtig.

”CEA havde arbejdet med akustisk emission et stykke tid uden at komme videre, så vi var egentlig klar til at give op, men CEA forskerne bad om at få lov at fortsætte et par måneder. Og så fik de et gennembrud. Nu er det muligt at teste og foretage ikke-elektrokemiske analyser af elektrokemiske systemer ved hjælp af lydbølger uden at påvirke processerne”, siger Poul Norby.

Metoden blev udviklet for at kunne følge reaktionerne indeni et fungerende batteri, mens reaktionerne er i gang og uden at skulle splitte batteriet ad, hvilket er uhyre praktisk indenfor batteriforskning.

”De akustiske metoder betyder, at man ikke skal skille batteriet ad for at kunne få data. Det kan i princippet integreres som del af batteriet til at måle batteriets ladestand og helbred, kaldet state of health”, fortæller Nicolas Guillet, forsknings- og udviklingsingeniør ved CEA.

Lydspor afslører sundhedstilstanden

Når et batteri er i brug og aflader, ændres dets indre temperaturer, mens batterimaterialer afgiver positivt ladede elektroner i form af strøm, hvilket alt sammen afsætter akustiske lydspor. CEA har udviklet en aktiv og en passiv måling, hvor man både bruger ultralyd til at sende akustiske signaler igennem batteriet, mens den anden målemetode blot lytter til bølgelængder og baggrundsstøj af reaktionerne indeni batteriet.

Den passive akustiske metode kan bruges til at registrere tidlige tegn på reversible eller irreversible nedbrydningsmekanismer, der kan føre til batterisvigt eller sikkerhedsproblemer: Materialer der revner på grund af overladning eller overopvarmning, eller hvis der udvikles gasser på grund af nedbrydning af elektrolytten.

Metoden øger batteriers sikkerhed, idet det giver mulighed for at detektere uregelmæssigheder i batteriets drift og udsende advarsler, så det er muligt at ændre/lukke batteriet, før det har negative konsekvenser.

Den akustiske metode kan aktivt bruges til at detektere ændringer af batteriets materialer og indre grænseflader under drift: Ændring af massefylde eller ændringer af batteriets indre temperaturer; Delaminering af materialerne eller når de udvider sig pga. alder.

Disse batteristyringsteknikker gør det muligt at estimere mere præcist mængden af energi, der er lagret i batteriet, når som helst under drift. Det kan også forbedre styringen af batteriet for at optimere brugen efter behov og driftsbetingelser. Konsekvenser kan være en forøgelse af cykluslivet, reduktion af opladningstiden og en øget sikkerhed.

Ved at benytte og kombinere de to målemetoder kan man skabe et detaljeret billede af batteriets elektrokemiske parametre, hvilket gør brugeren i stand til at aflæse nøjagtig hvor på en ellers ret flad afladningskurve, batteriet er. Det er dermed muligt at aflæse, hvor meget energi der er tilbage i batteriet.

CEA har nu to patentansøgninger ude på et system, hvor de ved hjælp af akustik kan aflæse state of health på batterier, dvs. helbredstilstanden og hvor meget strøm der er tilbage i batteriet.

Projekt Hi-C

Det EU-finansierede projekt ”Novel in situ and in operando techniques for characterization of interfaces in electrochemical storage systems”, forkortet Hi-C, havde deltagelse fra DTU Energi og Haldor Topsøe A/S fra Danmark, Université François Rabelais de Tours og Commissariat à l'énergie atomique et aux énergie alternatives (CEA) fra Frankrig, Karlsruher Institut für Technologie og Varta Microbattery GMBH fra Tyskland, det svenske Uppsala Universitet og engelske Uniscan Instruments Ltd, nu ændret til Bio-Logic Science Instruments Ltd. Projektet blev finansieret under FP7-programmet med et budget på 6,3 mio. Euro, heraf 4,6 mio. Euro kom fra EU.

Hovedmålene med Project Hi-C var at:
• Forstå de vigtige grænseflader i et fungerende batteri på atom- og molekylær skala.
• Karakterisere formationsstrukturen og dannelsen af grænseflader i batteriet under drift.
• Udvikle metoder til styring og design af grænseflader, stabilitet og egenskaber i batterier.
• Fremstille ionledende membraner for at studere de mekaniske og elektrokemiske egenskaber.

Hi-C-projektet var yderst vellykket og resulterede i tre større gennembrud, herunder opdagelsen af nye typer af saltsalte, som potentielt kan fordoble kapaciteten af litiumkatoder, nyt og meget bedre analytisk udstyr i form af bedre prober og nye cellekonstruktioner samt et system til at aflæse helbredstilstanden og ladestanden i et batteri ved hjælp af akustiske ultralydsbølger. Læs mere om resultaterne på www.hi-c.eu

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
http://www.energy.dtu.dk/nyheder/nyhed?id=73BEC5DC-E481-4121-83D7-E89AF2DFDFEB&utm_device=web&utm_source=RelatedNews&utm_campaign=Danmark-skal-satse-paa-energilagring
25 SEPTEMBER 2017