Batterier for skip – tenk annerledes

Hvis du spør en bilingeniør, er målene for batteridesign enkle – skap mest mulig kapasitet, til lavest mulig pris, med minste mulige volum og vekt. Selv om det er intuitivt sant, fungerer det på grunn av måten elektriske kjøretøyer brukes på. Andre bruksområder, som ferger, er noe annerledes, ettersom de reiser samme rute med hyppige stopp. Dette åpner for andre batterivalg.

Er de dyrere?

I denne tekniske artikkelen vil Toshiba diskutere LTO-batterier og se på hvordan de kan støtte applikasjoner der batterier lades og utlades ofte, og gir fordeler utover "vanlige" bilbatterier. Ferger vil bli trukket frem som et eksempel for å demonstrere hvordan det som først kan se ut til å være et dyrere alternativ, faktisk kan spare betydelige kostnader i løpet av applikasjonens levetid.

Utfordringer

Batterier får stadig større betydning ettersom mange ser på dem som en betydelig bidragsyter til å oppfylle miljømålene vi har satt oss. En av nøkkelapplikasjonene er å lagre energi som kan brukes til å drive mange typer elektriske kjøretøy, inkludert biler, varebiler og båter. Siden alle disse applikasjonene har begrenset med plass og er kostnadssensitive, blir batteridesignere utfordret til å produsere batterier som tilbyr stadig mer energi per volumenhet samtidig som de fortsetter å redusere kostnadene, målt i Euro/kWh.

Bruksmønster viktig

I applikasjoner der kjøretøy må dekke lange avstander, men lades relativt sjelden, er "lav pris og høy kapasitet"-tilnærmingen den rette. Imidlertid, der en definert rute følges og stopp på reisen gjøres som en del av normal driftsprosedyre, kan batteribehovet gjennomgås og endres. Dette inkluderer applikasjoner som busser og ferger der ruten er forhåndsplanlagt og det er flere stopp for å la passasjerer gå av og på. Her er det muligheter for å lade opp under reisen, uten å plage operatøren eller passasjerene. En forutsetning er imidlertid at batteriet kan lades veldig raskt flere ganger, og det er her LTO-teknologien fremstår som svært attraktiv.

Teknologien bak LTO-batteriene

Som den mest robuste og kraftige Litium-Ion (Li-Ion) batteriteknologien på markedet for tiden, benytter LTO-teknologien en vesentlig annerledes kjemisk struktur. Her erstattes den mer vanlige grafitten, og anoden er bygd opp av Litium Titan Oksyd (LTO).

Når konvensjonelle litiumionkjemier lades, må ionene presses mellom lagene av grafitt. Hvis de ikke kan interkalere inn i lagene raskt nok, vil de i stedet danne metallisk litium ved grensesnittet til elektrolytten. Denne pletteringen vil oppstå hvis batteriet lades for raskt og er enda mer et problem ved temperaturer under frysepunktet, eller hvis batteriet allerede er i høy ladetilstand (SoC). Risikoen for metallplettering i stedet for interkalering i grafitten er en viktig begrensende faktor for hurtiglading og fører til kapasitetsdegradering. I motsetning til det lagdelte materialet av grafitt er LTO i anoden til LTO-battericeller en krystallinsk spinellstruktur. I denne strukturen er det hulrom der litiumionene kan settes inn og trekkes ut mye lettere, noe som reduserer cellens indre motstand og støtter høyere strømlading.

God syklusstabilitet

Spinellstrukturen til anoden i en LTO-celle er "strekkfri", noe som betyr at det er ubetydelig endring i volum når ioner settes inn og trekkes ut, noe som forbedrer syklusstabiliteten. I tester beholder Toshibas høyeffekts LTO-celler mer enn 90 % av sin opprinnelige kapasitet etter mer enn 20 000 sykluser med kontinuerlig lading og utlading ved 5C (som betyr at cellen er fulladet/utladet innen 12 minutter).

Cellespenning

Cellespenningen for LTO er 2,3 V som er litt lavere enn de 3,6 V som er vanlig i andre Li-Ion-celler. Selv om dette gir en lavere spesifikk energi, forblir LTO-batterier i stand til å overstige 100 Wh/kg.

Den lavere cellespenningen gir imidlertid en sikkerhetsmargin som eliminerer risikoen for Li-metallplettering. Følgelig er LTO-celler ekstremt sikre og det dannes ingen Li-dendritter (forgreninger/utløpere), selv ved hurtiglading ved lave temperaturer. I det usannsynlige tilfellet av en intern kortslutning, vil LTO-celler utlades mye langsommere enn celler med en karbon-anode. Den langsommere kjemiske reaksjonen betyr at det genereres mindre varme, så enhver risiko for termisk løpskhet eller termisk forplantning er mye lavere enn med andre typer Li-Ion-celler.

LTO som løsning for ferger

Elektrisk drevne ferger øker i popularitet, ettersom de er mye mer miljøvennlige og mer stillegående i drift, og deres driftsprofil er godt definert og gjentas regelmessig. Typisk vil dette bestå av en rundtur, mellom to (eller flere) punkter, kanskje langs en elv eller rundt en innsjø eller havn med relativt hyppige stopp for å la passasjerer gå på eller av.

Med litt justering for nyttelast, strøm og vind er energien som trengs for å fullføre hver etappe av reisen kjent og konsistent. Gitt dette er det ikke nødvendig å implementere et batteri som kan gi energi til hele dagens drift, på grunnlag av at batteriet enkelt kan etterfylles ved hvert planlagte stopp, uten å forlenge reisen.

Trenger mindre kapasitet

Lading for neste etappe vil imidlertid måtte finne sted i løpet av minutter. Hvis dette prøves med et konvensjonelt LIB, må kapasiteten være mange ganger større enn energien som leveres under hurtiglading. Ellers vil ladestrømmen per celle være for høy, noe som fører til metallplettering, kapasitetsdegradering og risiko for dendritter. Hvis et LTO-batteri brukes, kan kapasiteten være mye mindre, sannsynligvis rundt 10 ganger mindre i kapasitet - samtidig som det muliggjør tilstrekkelig rask lading.

Lettere og billigere

Fergen vil dra nytte av et fysisk mindre og lettere batteri som følgelig vil koste langt mindre enn det konvensjonelle LIB. Selv med lavere energitetthet og høyere kostnad per watt, vil LTO-batteriet kun koste rundt 20 % av den konvensjonelle løsningen på grunn av dens optimaliserte energistørrelse. Men over levetiden til fergen (si 15 år) vil besparelsene være langt høyere ettersom NMC- eller LFP-batteriene kanskje må byttes ut mens LTO-batterier neppe trenger å skiftes ut i denne tidsskalaen.

LTO er den sikreste Li-Ion-teknologien, med egenskaper som praktisk talt eliminerer risikoen for brann eller eksplosjon. Åpenbart, på en båt er brann et mer alvorlig problem enn med et landbasert kjøretøy.

Toshibas SCiB LTO batteriløsning

Toshiba tilbyr et bredt utvalg av battericeller som spenner fra små høyeffektsceller med kapasitet på 2,9Ah opp til en ny 26Ah-celle med mer enn 100Wh/kg energitetthet. En innovativ 20Ah HP-celle med svært høy effektkapasitet ble nylig lansert, der den interne motstanden i forhold til den forrige 20Ah-HP-cellen ble redusert med omtrent 40 %. Dette tillater 70 % høyere inngangs- og 60 % høyere utgangseffekt, samt oppnår en lengre levetid og beholder nesten 100 % av kapasiteten etter 8000 lade-/utladingssykluser ved 5C (ved 25°C med 10~90% SOC).

Toshiba tilbyr også komplette moduler bestående av 24 celler, 12 i serie og to i parallell. Avhengig av lastprofilen kan de leveres med forskjellige celletyper enten for høy effekt eller for høy energi. Disse modulene brukes allerede i ulike maritime prosjekter og var de første batteriene i Japan som fikk godkjenning fra Nippon Kaiji Kyokai (ClassNK) for bruk i maritime fartøyer.

Oppsummering

For mange tunge maritime applikasjoner er hurtiglading, levetid og sikkerhet nøkkelpunkter for å velge den beste batteriteknologien. Muligheten for å redusere størrelsen på batteriet og unngå utskiftninger i løpet av applikasjonens levetid er viktigere faktorer for den totale eierkostnaden enn energitettheten. LTO er den kraftigste, mest robuste og sikreste Lithium-Ion-teknologien som er tilgjengelig, og tilbyr mange fordeler for slike maritime applikasjoner.

Om forfatteren:
Volker Schumann, General Manager for Battery Sales, Toshiba Electronics Europe GmbH