Onderzoekers laden accu van ev in tien minuten bij kortstondige hoge temperatuur

Wetenschappers van de Pennsylvania State University melden dat ze een lithium-ionaccu van een elektrische auto in tien minuten hebben geladen, waarmee er een bereik van 321 tot 482 kilometer bijkwam. Dit hebben ze bereikt door voor korte duur een relatief hoge temperatuur toe te passen.

Volgens hoogleraar en mede-onderzoeker Chao-Yang Wang is deze methode toe te passen bij in ieder geval 2500 laadcycli, of het equivalent van ongeveer 800.000km. Dat betekent dat deze methode volgens hem de potentie heeft om bij te dragen aan een brede adoptie van elektrische auto's.

Het probleem hierbij is echter dat snelladen met een flink vermogen noodzakelijk is, en dan hebben de lithiumionen de neiging om op het snijvlak van de negatieve elektrode en het elektrolyt als metallisch lithium een afzetting te creëren op het oppervlak van de anode. De intercalatie, ofwel het proces waarbij de ionen worden opgenomen in de structuur van de elektrode, wordt door die afzetting verstoord en dus nemen de prestaties af. Uiteindelijk kunnen zich zelfs structuren vormen die tot onveilige situaties en kortsluiting leiden.

Als de temperatuur in de accucel maar hoog genoeg wordt, wordt dit probleem voorkomen, want dan bewegen de lithiumionen snel genoeg zodat er geen afzetting optreedt. Echter, een temperatuur van 60 graden Celsius is volgens Wang 'extreem' en 'verboden in de accu-arena'. In het veld van accuonderzoek en de chemie gaat men er namelijk vanuit dat deze temperatuur te hoog is, waardoor er een gevaar ontstaat voor de interne materialen en de levensduur van de accu drastisch inzakt.

Wang en zijn onderzoeksteam kwamen tot de conclusie dat dit probleem kan worden opgelost als de accu kan worden opgewarmd tot 60 graden Celsius voor de duur van slechts tien minuten, net lang genoeg voor het laadproces, om hem vervolgens weer heel snel af te koelen tot kamertemperatuur. Bij een dergelijke, korte opwarming en snelle afkoeling krijgt het lithium niet de kans om een afzetting te veroorzaken en is de opwarming te kort om de algehele prestaties van de accu aan te tasten.

Voor het snel opvoeren van de temperatuur hebben de onderzoekers een soort zelfverhittende accu gebruikt met een dunne folielaag van nikkel, waarmee als het ware een interne zelfverhittende structuur is gevormd die warm wordt door weerstandsverhitting. Hiermee wordt ook de binnenkant van de accu verwarmd en was de accu tot 80 procent bij te laden in tien minuten, zonder dat de eerder genoemde problemen optraden.

Volgens de onderzoekers is hiermee aangetoond dat het oude idee dat de lithiumaccu's niet met hoge temperaturen mogen worden geladen, in principe niet meer opgaat. Wang vindt dat de voordelen van een kortdurende hoge temperatuur de nadelen al snel tenietdoen. Wang zegt tegen The Guardian dat hij verwacht dat er nog twee tot drie jaar nodig is voordat het in commerciële auto's kan worden gebruikt.

De technische vindingen moeten echter nog verder worden doorontwikkeld, voordat deze methode toepasbaar is in elektrische auto's. Bovendien zijn tijdens het onderzoek accucellen met een relatief kleine capaciteit van ongeveer 10Ah gebruikt. Wang stelt dat de technologie toepasbaar is voor de accu's van elektrische auto's en dat er accu's van verschillende capaciteiten en groottes kunnen worden geladen, mits het laadvermogen proportioneel toeneemt met het formaat van de accu. Hij zegt dat een autoaccu van 150Ah een snellaadstation nodig heeft die 900A kan leveren gedurende tien minuten en dat is volgens hem haalbaar met de bestaande snelladers.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Joule, onder de titel Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries.

Reacties (47)

[don_jorg]

Even wat extra details uit het onderzoek:
- Met deze methode is na 2500x laden nog 91.7% van de oorspronkelijke capaciteit over
- Die 10 minuten van 60 graden houdt ongeveer 0.1% van de levensduur van de batterij in
- Een gebruikte batterij is 9.5Ah, 170 Wh/kg. Deze heeft 1700 laadmomenten gehad, waarbij tot 80% werd geladen. Deze liet (vreemd genoeg) 20% capaciteitsreductie zien
- Een andere batterij, van 207 Wh/kg, behield wel die 91.7% na 2500x laden. Ben er nog niet uit wat het verschil is tussen de batterijen, afgezien van de dichtheid

Jammer genoeg kan ik niet de hele tekst zien, wat apart is aangezien ik op een universiteitsnetwerk zit.

[bbob]

Voor diegene die niet op een uni zitten en toch willen lezen

Nummer van het onderzoek: doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.021
Gebruik sci-hub.se en geeft dit nummer in om het te lezen.

Staat er helaas nog niet op.

[Reactie gewijzigd door bbob op 22 juli 2024 23:23]

[Thedr]

Interessante methode, maar waar ik vooralsnog vraagtekens bij zet is de benodigde energie om het accupakket te verwarmen en vervolgens weer af te koelen. Er zal toch een goede manier moeten worden bedacht om die energie op een of andere efficiente manier te hergebruiken, anders verlaagt dat het rendement van het elektrisch rijden/laden behoorlijk lijkt me. Een paar honderd kilo Lithium en andere metalen cyclen tussen ~20 en ~60 graden kost behoorlijk wat energie...

[Alxndr]

opwarmen en afkoelen kan je mooi combineren met een warmtepomp toch?

PS soortelijke warmte van Lithium is 3600 (J·kg−1·K−1); bij een accu van 200 kilo kost 40 graden opwarmen dan 8Kwh. (Dat zal ongeveer 10% zijn?)

[Stoney3K]

opwarmen en afkoelen kan je mooi combineren met een warmtepomp toch?

Je bedoelt de warmtepomp die een Tesla al precies voor dat doel aan boord heeft?

[Alxndr]

LOL, waarschijnlijk wel? Ik heb niet de pretentie dat ik hen iets nieuws hoef te vertellen

[Kev-in]

Tesla doet dit al, hoewel niet zo extreem als in dit experiment. Accu's worden tijdens een rit naar de supercharger verwarmt zodat het laden sneller gaat.

De V3 superchargers laden met 250KW: 250000 W / 400 V = 625 A. Dit laadt een model 3 LR op in 22 minuten.

IONITY chargers laden met 350KW, maar er zijn nog geen auto's op de markt die zo snel kunnen laden (volgens mij).

We zitten hier dus niet eens zo ver vanaf .

[raceeend9]

niet helemaal, als je met 3 fasen laadt is het 250kW (let op de k, k=kilo en K=Kelvin) / 692V = 361A
400V is de spanning tussen de fasen. dit moet je nog maal wortel(3) doen.

edit: bronnetje

[Reactie gewijzigd door raceeend9 op 22 juli 2024 23:23]

[Robbaman]

Snellader gaat via DC, die hebben geen fasen...

[DutchWilliam]

Maar als ik het artikel goed begrijp wordt de accu opgewarmd tot de "extreme verboden temperatuur" dan opgeladen en weer afgekoeld. Ik vind het nog niet heel veilig klinken persoonlijk... maar ben benieuwd of we dit dan ook echt in gebruik gaan zien in de komende 2 a 3 jaar.

[ACM]

Die term 'extreem' is natuurlijk heel relatief. Het is 'extreem' hoog voor tijdens het opladen van een accu, maar gaat in werkelijkheid om 60 graden celsius (meestal de temperatuur van heet kraanwater). En het is 'verboden' omdat het de levensduur van de accu levensduur zou bedreigen. Ik krijg a.d.h.v. het verhaal niet het idee dat het bijvoorbeeld (ernstig) brandgevaar met zich mee zou brengen, maar zoals anderen al zeggen zit dit natuurlijk nog in de onderzoeksfase.

[Kev-in]

Het mooie hiervan is, dat juist door de hoge temperatuur schade aan de accu voorkomen wordt.

[ToolBee]

Maar alleen in combinatie met daarna fors koelen. Dat was juist de truc!

[bamboe]

precies, 10 minuten laden... 15 minuten afkoelen....

(wijzig... 10 minuten opwarmen, 10 minuten laden 15 minuten afkoelen.... )

[Reactie gewijzigd door bamboe op 22 juli 2024 23:23]

[matroosoft]

Idee van het onderzoek is juist dat de accu vanzelf opwarmt door de hogere interne weerstand en de hoge laadstroom. Dus hij zal heel snel opwarmen tijdens het opladen, wat dan uiteraard wel resulteert in hogere laadverliezen. Wellicht is dat acceptabel voor mensen die moeten snelladen

[ToolBee]

Opwarmen ging ook al in 30 seconden.

[Kroesss]

Misschien een optie om een knop in de auto te zetten waarmee je de accu alvast kunt opwarmen met de resterende enrgie in de batterij zodat hij al warm is bij aankomst bij het snellaadstation?

Eerlijk is eerlijk: het resultaat van dit onderzoek kan het grootste struikelblok weghalen van de elektrische auto.

[3raser]

Dit is dan ook een experiment waarvan de toepasbaarheid nog moet worden bepaald. Misschien vinden ze wel iets waardoor dit op een veilige manier kan. Het is in ieder geval interessant dat het kan.

[coptician]

Als een accu hiervoor gemaakt is en dit proces op de juiste manier wordt gevolgd, is het plotseling geen extreme verboden temperatuur meer (voor specifiek de accu's die hiervoor gemaakt zijn), maar een normale temperatuur.

Mijn processor wordt ook 60 graden celsius. Dat is een heel normale temperatuur, omdat hij er voor gemaakt is.

[WaterFire]

De komende 2 tot 3 jaar zeker nog niet dat is knipperen met je ogen in die wereld. Was grafeen niet de holy grail voor oplaadbare batterijen een paar jaar geleden? Maar dat het lukte is al een hele stap!

[Micahve]

Grafeen is nog steeds een "holy grail", niet alleen voor batterijen, maar ook als bouw materiaal(Sterk en licht).
Alleen het produceren ervan op grote schaal is nog een probleem.
Het wordt al geproduceerd en ook gebruikt, alleen is de technologie noch zo jong.
Vergeet niet dat heel veel van de technologieën die we nu gebruiken ook niet in één nacht ontwikkeld waren.

Het heeft tijd nodig, net als de fusie reactor. We weten in de natuurkunde dat fusie echt een stap is in de goede richten(net als grafeen), alleen kost het tijd om de technologie te ontwikkelen.
In Frankrijk wordt nu grootste experimentele fusie reactor gebouwd die ook in gebruik genomen gaat worden zodra er een stabiele reactie plaats kan vinden.
Deze 2 technologieën kunnen zomaar in de komende 10-20 jaar een realiteit worden.

[Micahve]

Het wordt gezien als extreem / gevaarlijk.
Maar men heeft dit soort testen nog nooit gedaan en nu blijkt dat als je het maar kort genoeg doet dat het gevaar veel minder is dan wat voorheen werd gedacht.
De wereld is soms toch net eventjes anders dan dat we eerst dachten

[flaskk]

Prima idee, maar wat voor kabels heb je dan nodig om even bij te laden ?

Amperage zou enorm zijn.

[Energya]

Zie eind van het artikel:
> Hij zegt dat een autoaccu van 150Ah een snellaadstation nodig heeft die 900A kan leveren gedurende tien minuten en dat is volgens hem haalbaar met de bestaande snelladers.

[skunkopaat]

Jemig, 900 ampere? Dat is bij een voltage van 230 al een vermogen van 207 kW, ofwel 207.000 watt!!

[!null]

Laten we uitgaan van een systeemvoltage van 400V, wat vrij normaal is in elektrische autoland, uitzonderingen daargelaten.
400V * 900A is 360KW. Dat is wel net iets hoger maar bijna gelijk aan het nieuwste wat uitgerold wordt aan snelladers, maar er nog geen auto's voor zijn (snelst ladende auto's laden nu met 200 a 250KW).
Men mikt nu op 350KW laden voor volgende generatie elektrische auto's, zonder de methodes van dit onderzoek.

150Ah * 400V = 60kWh. Dan kan je in 10 minuten 300 kilometer erbij krijgen, uitgaande van 200Wh/km, nog meer bij 150Wh/km.

Snelst ladende auto's nu zijn met 200 of 250KW, en daarbij hebben ze meestal grotere accu's nodig (om de last te verdelen).

Echter zowel de huidige auto's als deze nieuwe techniek, ze zullen beiden last hebben van het feit dat het boven de 80% wel af gaat vlakken met hoeveel Ampere er op genomen gaat worden, en misschien wel eerder.
In het geval van een 60kWh kun je dus maar 48kWh (ongeveer dan he) snelladen, en dus zeker niet de 480km gaat halen met een normale auto.
Tenzij dit verhitten er ook voor zorgt dat je ineens een stuk verder kunt laden en dat de interne weerstand laag/lager blijft.

[ToolBee]

En de Porsche Taycan (Turbo!) werkt met 800V! Waarschijnlijk de nieuwe Rimac-installatie.
Reken erop dat er dan ook een Audi, Lamborghini en Bentley (alle VAG) mee komen. En dan kunnen BMW en de rest ook niet achter blijven. Waar houdt het op?

[Stoney3K]

Die hogere spanningen houden op als het niet meer veilig door de consument te hanteren valt. 800V is al behoorlijk op het randje, als je hoger gaat zitten dan kom je ook in de knel met bijvoorbeeld isolatoren die gaan doorslaan.

Als je op een voltje of 1500 uitkomt dan heb je het al over de spanning van de bovenleiding van een spoorweg. En de stromen komen ook aardig in die richting als je een beetje rap wil kunnen laden.

Vroeg of laat zul je wel naar hogere spanningen moeten want anders krijg je kabels die niet meer te hanteren zijn. Een kabel waar 400A doorheen moet kunnen is al loodzwaar.

[migjes]

tja laden gaat nu met een kabel (soms gekoeld met vloeistof).

maar wie zegt dat we dat straks ook zo gaan doen.
mischien parkeer je de auto boven de snel lader en komen er 2 stangen uit de grond en knallen ze je auto even vol en je kunt weer door rijden.
dan hoef je niet eens meer uit te stappen.

[ajolla]

Of de secundaire van een HF powertrafo wordt op de grond geduwd.

[Flagg]

Gewoon een soort geul in de weg maken en 2 metalen strips aan de rand zodat auto met een soort pin in die geu valt en de metalen strips contact maken...

Oh wacht.

[migjes]

jep, lol.
de nieuwe trein/trolli/metro etc etc...
maar wat dacht je van een pantograaf op dak.

[Mylan Piron]

Bij vrachtwagens kan de pantograaf weleens werkelijkheid worden/zijn: https://www.scania.com/gr...ks-for-german-e-highways/

[Raymond Deen]

Heb vroeger nog zo'n racebaan gehad. Leuk die herinneringen, dank je!

[ajolla]

Ik bedoelde in stilstand.

[Stoney3K]

Dat is misschien grappig bedoeld, maar oa. Siemens heeft hier al onderzoek naar gedaan voor het elektrisch rijden van vrachtwagens op de snelweg.

Net zoals bovenleidingen en pantografen. Dat schijnt nog niet eens zo moeilijk te integreren te zijn in de normale snelwegen, gewoon 2 draadjes boven de weg trekken.

[dehardstyler]

900A dus. Tesla is daarom voor de Supercharger 3 vloeistof gekoelde kabels gaan gebruiken, waardoor de kabels toch nog dun genoeg blijven om bruikbaar te zijn.

[memphis]

In de modelbouw is al jaren bekend dat het verwarmen van een lithium accu tot betere prestatie leidt. Inderdaad is het verwarmen van lithium accu's bij veel clubs taboe en verzint men andere trucen om de accu tot betere prestaties te komen zoals onder hoge stroom de resterende energie ontladen en dan direct onder een hoge stroom laden waardoor de interne weerstand ook voor de interne opwarming zorgt.

[Verwijderd]

Tesla Bjorn laat mooi zien hoe zijn Model 3 accu +50 graden bereikt bij het snelladen.
https://www.youtube.com/watch?v=SVm3muFrJbA

[Waterbeesje]

900A is iets waarvan ik altijd dacht dat het ziek veel is en enkel in industriële toepassingen voorkwam... maar blijkbaar wordt dit serieus voor consumenten bekeken!

Een lasapparaat gebruikt een pak minder stroom bij lagere voltages, dus ik zie wel de gevaren van wanneer het mis gaat met zo'n stroom.

Ook de wisselende belasting op het elektriciteitsnet heeft hiervoor buffers nodig gok ik zo...

Aan de andere kant heb je zo wèl een pluspuntje er bij in een overweging, wanneer je twijfelt tussen een brandstof of elektrische auto: tanken gaat bijna net zo snel.

[Honytawk]

Ontvlambare vloeistof is anders ook niet zonder gevaren.
En daar zitten we al decennia op te rijden.

[Moosenl]

Niks nieuws onder de zon.
Accu's doen het sowieso beter bij wat hogere temperaturen.
Gaat wel ten koste van de levensduur en aantal cycli. Maar daar hoor je ze niet over.

[Flagg]

Daar hoor je ze wel over maar je luistert blijkbaar niet.

[Verwijderd]

Dat warmte goed is als je wil laden is natuurlijk niet nieuw. Een Tesla warmt de accu op tot 35 graden terwijl je naar de Supercharger rijd. Die software update scheelt ongeveer 10% laadtijd (zeker in de winter).