Elektrische voertuig batterijen: Ontwerp, ontwikkeling en trends

Inleiding:

EV-batterijen (elektrische voertuig batterijen) zijn batterijsysteem specifiek voor elektrische voertuigen. EV's zijn niet nieuw – we hebben al elektrische motoren en infrastructuur. Wat ontbreekt? De batterij. Preciezer: het EV-batterijsysteem. In dit artikel bespreken we de basis en eisen.

Als je aan batterijen denkt, denk je aan kleine celletjes of je telefoonbatterij. Maar een voertuig vereist veel grotere capaciteit: meer laden, meer vermogen, meer bereik, meer opslag. En zeker niet licht. En omgevingsomstandigheden? Er zijn veel eisen en batterijen zijn niet simpel.

Vermogeneisen EV-batterijen

Om een gemiddeld voertuig te bedrijven, heb je veel vermogen nodig – meer dan een high-end processor of LCD-scherm. Geschatte vermogen voor versnelling op vlakke weg zonder tegenwind: ~61 kW. En je wilt geen zakkende auto bij opstijgende weg of wind. Interne weerstand moet laag genoeg zijn voor maximaal vermogen.

Energiedichtheid van EV-systemen

Energiedichtheid = opgeslagen energie per eenheidsvolume. (Specifieke energie = energie per eenheidsmassa.)

Meest gebruikte brandstoffen: benzine en steenkool. Batterijen zijn handziger, maar energiedichtheid en specifieke energie zijn lager. Vergelijking: benzine heeft 100x hogere specifieke energie dan Li-Ion, en 300x hogere dan loodzuur.

Elektrische batterijen vs. ICE (verbrenningsmotor)

In rendement wint de elektrische motor van de ICE. Maar bereik is lastiger met elektrisch. Een benzinevoertuig met kleine tank haalt ~640 km; gemiddelde EV ~290 km.

Er zijn hogere bereiken, maar ook nadelen:

• Productiekosten van batterijen zijn erg hoog – groot deel van EV-aankoopprijs.
• Opladen/ontladen leidt tot degradatie; geen solide langetermijndata. ICE-voertuigen halen makkelijk 160.000 km bij goed onderhoud.
• Laden is tijdrovend.zelf Tesla Superchargers vragen ~30 min.

EV's en de chemie

Onderzoek naar beste batterijtechnologie is niet nieuw. Een 1994-document van Argonne National Lab noemde kandidaten: loodzuur, nickel/cadmium, nickel/ijzer, nickel/metaalhydried, natrium/zwavel, zink/broom, zink/lucht, natrium/nickelchloride, lithium/ijzersulfide, lithium-polymer. Gerangschikt op specifieke energie: laagste loodzuur (25-40 Wh/kg), hoogste lithium-polymer (100-200 Wh/kg).

Vandaag is lithium-ion de favoriet. Rond 2012 was nickel/metaalhydried (NiMH) dominant, maar Li-Ion overnam door hogere vermogensuitgang, hogere specifieke energie en minder problemen. Zie animatie van Li-Ion werking hier.

Impact van elektrische voertuigen

EV's hebben de wereld nog niet overgenomen. Benzine/diesel domineren nog, vooral voor lange afstanden. EV-marktaandeel VS is klein (Noorwegen ~32x groter). China groeit 2x sneller dan VS.

Conclusie

De EV-industrie evolueert nog. Veel ontwikkelingen nodig voordat EV-batterijen de wereld overnemen. Hun gebruik zal enorm nuttig zijn als prijs en praktijkbaarheid in de komende jaren worden opgelost.