Yksi ennenkuuluttu on parempi kuin yksi parantaja – Miten EIS:ää käytetään parantamaan akun terveyttä sähköajoissa

Sähköajoneuvot (EV) ovat saaneet paljon suosiota viime vuosina, ja niiden kasvu on johtunut maailmanlaajuisesta siirtymisestä puhtaaseen energiaan ja kestävään liikenteeseen.

Ne eivät tuota päästöjä, joten ne ovat ympäristöystävällisempiä kuin perinteiset polttoainemoottorit. Tämä tekee sähköajoista avainTeknologian tiellä vähentämään päästöjä, jotka ovat noin kuudesosa maailman päästöistä.

Ne myös tarjoavat alhaisemmat käyttö- ja ylläpitokustannukset kuin perinteiset polttoainemoottorit, mikä tekee niistä tehokkaampia ja edullisempia.

Sähköajoneuvojen suosio ja käyttöönotto kasvavat jatkuvasti, ja lähes joka viides auto, joka myytiin vuonna 2023, oli sähköinen. Kun sähköautot ylittivät 10 miljoonan rajan vuonna 2020, sähköautojen määrä tiellä oli 40 miljoonaa viime vuonna.

Vuonna 2023 sähköautomyynnit olivat lähes 14 miljoonaa, ja 95 prosenttia niistä myytiin Kiinassa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa. Tämän laajentumisen seurauksena sähköautot muodostavat nyt noin 20 prosenttia kaikista uusista automyynneistä maailmanlaajuisesti, ja odotetaan, että ne kasvavat 50 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä.

Sähköautoja on kuitenkin useita tyyppejä:

• Paristovaihtuiset sähköautot (BEV)
• Pistokehybridi-sähköautot (PHEV)
• Hybridi-sähköautot (HEV)
• Polttokenno-sähköautot (FCEV)

Näistä paristoilla toimivat sähköautot ovat yleisimpiä, ja ne muodostavat 70 prosenttia sähköautokannasta vuonna 2023.

BEV:t ovat täysin sähkökäyttöisiä, ja niitä voidaan ladata ulkoisista lähteistä. Ne ovat tehokkaampia kuin hybridi- ja pistokehybridi-autot.

Koska paristot ovat sähköautojen energianlähde, ne ovat tärkein osa sähköautossa. Korvaamalla polttoainemoottorit paristot, sähköautot voivat vähentää merkittävästi päästöjä, auttaa uusiutuvien energialähteiden kuten tuulen ja auringon integroimisessa ja varmistaa kestävyyden.

Sähköautojen suorituskyky määräytyy paristojen kunnosta. Paristojen koko, joka mitataan kilowattitunteina, osoittaa, kuinka paljon sähköä paristo voi varastoida ja kuinka pitkälle sähköauto voi ajaa yhdellä latauksella.

Mitä suurempi energiatiheys paristossa on, sitä suurempi on ajomatka latauksella. Nopea lataus on myös tärkeää, jotta sähköautojen omistajat voivat ladata ajoneuvojaan nopeasti.

Sähköautot käyttävät useita paristotyyppejä, mukaan lukien litium-ioni, joka on yleisin. Lyijy-happo on suosittu valinta, erityisesti Yhdysvalloissa, sen edullisuuden ja pitkän käyttöiän vuoksi, kun taas litium-sulfurin teoreettinen latauskapasiteetti kasvaa.

Lisäksi kasvava ympäristötietoisuus ja hallituksen kannustimet, etenkin paristoteknologian edistys, ovat tehneet sähköautoista tehokkaampia ja edullisempia.

Paristot ovat siis keskeisiä sähköautoissa ja laajemmassa puhtaassa energiassiirtymässä, mikä tekee siitä tärkeää saada parempi käsitys siitä, miten ne suoriutuvat ja miten ne ovat kunnossa. Tähän tutkijat ovat kehittäneet uuden teknologian, joka seuraa paristojen tilaa korkealla tarkkuudella maksimoimaan niiden tehokkuutta ja vakautta pitkällä aikavälillä.

Teknologia sähköautojen paristojen tarkkaa diagnosointia varten

Tutkijat Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) kehittivät tämän uuden teknologian tarkkaa diagnosointia sähköautojen paristojen tilasta, joka on välttämätöntä niiden tehokkaalle hallinnalle ja turvalliselle käytölle, käyttäen vain pientä määrää sähkövirran.

Tämä kehitys julkaistiin viime viikolla KAIST:in toimesta, joka mainitsi, että tutkijaryhmä, jota johtivat professorit Sang-Gug Lee ja Kyeongha Kwon School of Electrical Engineering:istä, oli rakentanut elektrokemiallisen impedanssispektroskopian (EIS) teknologian.

Tämä EIS-teknologia voidaan käyttää parantamaan suurikapasiteettisten paristojen suorituskykyä ja vakautta sähköautoissa.

Elektrokemiallinen impedanssispektroskopia on voimakas työkalu, joka mittaa pariston impedanssin suuruutta ja muutoksia, mikä mahdollistaa pariston tehokkuuden ja häviön arvioinnin.

Pariston impedanssi on yksinkertaisesti mittaus sähkövirran virtaukseen paristossa. Tämä ei-invasiivinen tapa estää pariston vikaa havaitsemalla varhaiset merkit heikkoudesta tai heikentymisestä ja tutkimalla sen suorituskykyä ja kuntoa.

Tärkeä työkalu pariston lataustilan ja terveyden arvioimiseksi, se voi myös analysoida kemiallisia tai fysikaalisia muutoksia, kuvata lämpöominaisuuksia, osoittaa mihin vikojen aiheuttajat ja ennustaa pariston elinikää.

Kuitenkin perinteinen EIS-laitteisto ei ole ainoastaan kallista, vaan myös monimutkainen, mikä tekee sen vaikeaksi asentaa, käyttää ja ylläpitää.

Sitten on kysymys tarkkuuden ja herkkyyden rajoituksista, mikä tarkoittaa, että kun sovelletaan sähkövirran häiriöitä useita ampeereja paristoon, se voi johtaa merkittäviin sähköisiin jännitteisiin. Tämä puolestaan lisää tulipalon tai pariston vikailtumisen riskiä, mikä tekee sen vaikeaksi käyttää käytännössä.

Jotta voidaan ratkaista nämä ongelmat, KAIST:n insinööritiimi loi matalavirran EIS-järjestelmän diagnosoida tehokkaiden sähköautojen paristojen kuntoa ja terveyttä.

Tämä uusi järjestelmä voi mitata pariston impedanssin tarkasti matalilla virran häiriöillä, ts. 10 mA. Mittaamisprosessin aikana uusi EIS-teknologia minimoi lämpövaikutukset ja turvallisuusongelmat.

Toinen etu tällä järjestelmällä on, että se vähentää tarvetta suurille ja kalliille komponenteille. Sen ansiosta sitä voidaan helposti integroida ajoneuvoihin.

Uusi EIS-järjestelmä on osoittanut menestyksensä määrittäessään sähköautojen paristojen elektrokemiallisia ominaisuuksia eri käyttöolosuhteissa. Tämä käsittää eri lämpötiloja ja lataustasoja (SOC).

Järjestelmän helppo integrointi sähköautojen paristojen hallintajärjestelmään (BMS), yhdistettynä sen korkeaan mittatarkkuuteen ja vähäiseen monimutkaisuuteen ja kustannuksiin verrattuna perinteisiin suurvirran EIS-menetelmiin, tekee siitä erittäin hyödyllisen sähköautojen osalta.

Professori Kyeongha Kwon, vastaavan tekijän mukaan, järjestelmä voi myös vaikuttaa paristodiagnoosiin ja suorituskyvyn parantamiseen energiatallennusjärjestelmissä (ESS).

Muita kehityksiä sähköautojen paristojen kunnossa ja turvallisuudessa

Paristojen merkityksen vuoksi tutkijat ovat työskennelleet eri tavoilla saadakseen paremman käsityksen niiden kunnosta. Koska sähköautojen paristojen kapasiteetti laskee noin 10 prosenttia noin 6,5 vuoden jatkuvassa käytössä. Tässä ylikuormitus ja alikuormitus myös vaikuttavat tähän laskuun.

Viime vuonna Michiganin insinöörit luo kaavan paristojen diagnosoinnista ja seuraamisesta ilman pariston avaamista. Kaava, jota voidaan soveltaa myös muihin fotoni- ja elektroniikkalaitteisiin, toimii kaikkien paristomateriaalien yhdistelmille.

Yksi tapa, jolla tutkijat tutkivat paristoja, on soveltamalla heikkoa vaihtovirtaa, joka on samanlainen kuin se, mitä tulee seinästä, mutta paljon heikompi, tutkimaan paristoa. Tässä impedanssi muuttuu vaihtovirran taajuuden mukaan tai kuinka nopeasti se muuttaa suuntaa.

Avainmitta on, kuinka impedanssi muuttuu taajuuden mukaan, joka saadaan käyttämällä taajuutta alhaisesta korkeaan. Tämän saavuttamiseksi on rakennettava suhde paristomateriaalien ja niiden signatuurin välille. Ryhmä kuitenkin kehitti oman kaavansa kuvaamaan tämän suhteen. Ja kerran impedanssi on mitattu useilla taajuuksilla, kaava voi ennustaa impedanssin funktiona taajuudesta laajalla taajuusalueella.

Kaava, ryhmän mukaan, palvelee materiaalin impedanssin esittämisenä vain muutamalla kokeellisella datapisteellä. Se yksinkertaisee koko prosessia mallintamalla sähkövirran liikettä laitteissa, jotka on valmistettu eri materiaaleista, ja se ei vaadi etukäteen tietoa materiaalin mikrorakenteesta.

Se voi myös auttaa suunnittelemaan parempia kiinteitä elektrolyytteja, osoittamaan muiden paristokomponenttien impedanssiominaisuuksia ja luomaan tarkat paristomallit turvallisemman ja tehokkaamman latauksen ja purkauksen hallintaan.

Siliconipohjaisissa anodien osalta tutkijat ovat yhä enemmän keskittyneet rooliin saavuttaa suurempi energiatiheys ja hallitsemaan epäedullisia vaikutuksia syklauksen aikana, parantaen turvallisuutta ja kestoa.

Paristojen suunnittelussa ja kokoonpanossa liimat ovat myös nousseet tärkeäksi komponentiksi, tarjoten etuja kuten parannettu suorituskyky optimoimalla lämmöliittymää paristosolujen ja jäähdytysjärjestelmien välillä, suurempi suunnittelun joustavuus kiinnittämällä erilaisia materiaaleja, parannettu energianhallinta turvallisuuden vuoksi ja kustannussäästöt valmistusprosessien suoristamisen kautta.

Tutkijat ja yritykset käyttävät myös tekoälyä paristomateriaalien löytämiseen ja valmistukseen. Vaikka sähköautojen paristoteknologia on edennyt merkittävästi viime vuosina, useita ongelmia edelleen on olemassa materiaalin, suunnittelun, etäisyyden ja paristojen hallintajärjestelmien suhteen.

Paristojen hallintajärjestelmä (BMS) sähköautossa on siis varmistamaan tehokkuus, turvallisuus ja kestoa parantamalla pariston suorituskykyä. Perinteiset paristojen arviot terveydestä ja latauksesta ennustamaan tulevan heikentymisen eivät ole olleet tarkkoja, mikä on johtanut ML-algoritmeihin BMS:lle, jotka analysoida reaaliaikaisia tietoja tarkkaa pariston terveydentilan (SOH) ja lataustilan (SOC) arvioimiseksi. BMS sitten käyttää näitä arvioita parantamaan pariston suorituskykyä.

Globaali sähköautojen paristojen muodostus- ja testausmarkkinat ovat nopeasti kasvavaa, ja se arvioitiin 1,9 miljardiksi dollariksi vuonna 2023. Tämä markkina on ennustettu kasvavan yli 17,6 prosentin vuosittaisella kasvuvauhdilla seuraavien kahdeksan vuoden aikana ja saavuttamaan 7,8 miljardia dollaria vuoteen 2032 mennessä.

Tämä kasvu johtuu kasvavasta sähköautojen omaksumisesta ja sitä seuraavasta paristotuotannosta, paristoteknologian edistymisestä paristojen kemiallisuuden, turvallisuuden ja luotettavuuden suhteen sekä kasvavasta painopisteestä kestävyyteen ja päästöjen vähentämiseen.

Muutamia kuukausia sitten Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) ilmoitti 43 miljoonan dollarin rahoituksen hankkeille, jotka edistävät tutkimusta, kehitystä ja käyttöönottoa kriittisillä paristosektoreilla. Tämän aloitteen tavoitteena on ajaa innovaatioita edullisen sähköauton paristojen valmistuksessa, vähentää vikoja, parantaa paristoturvallisuutta ja vahvistaa paristomateriaalien kotimaista toimintaketjua.

Tämä on linjassa Yhdysvaltain kansallisen liikenteen päästöjen poistamissuunnitelman kanssa, jossa pyritään poistamaan kaikki päästöt liikenteen alalta vuoteen 2050 mennessä edistämällä paristoteknologiaa turvallisten ja tehokkaiden nollapäästöisten sähköautojen voimanlähteeksi.

Yritykset, jotka auttavat edistämään sähköautojen paristojen hallintaa

Katsotaan nyt yrityksiä, jotka toimivat sähköautojen paristojen terveyden, BMS-järjestelmien ja EIS-edistysten leikkauspisteessä, jotka ovat kaikki keskeisiä sähköautomarkkinan ylläpitämiseksi ja paristojen elinikää ja turvallisuutta optimoimiseksi.

Elon Muskin Tesla (TSLA ) on yksi tunnetuimmista, ja se on syvästi sitoutunut korkeakapasiteettisiin ja pitkäikäisiin paristoihin sähköautoja varten. Teslan osakkeet ovat nousseet 4,83 prosenttia tänä vuonna, ja sen markkina-arvo on tällä hetkellä 830,7 miljardia dollaria.

Sitten on 3,24 miljardin dollarin markkina-arvoinen QuantumScape Corporation (QS ), joka kehittää kiinteän tilan litium-metalliparistoja sähköautoja varten, kun taas 1,9 miljardin dollarin markkina-arvoinen Enovix Corporation (ENVX ) kehittää edistyneitä piianodiparistoja. 11,18 miljardin dollarin markkina-arvoinen Albemarle Corporation (ALB ) on johtava litiumin tuottaja ja on mukana paristojen tehokkuuden ja turvallisuuden parantamisessa. QS-, ALB- ja ALB-osakkeet ovat laskeneet 6,47 prosenttia, 34,14 prosenttia ja 13,14 prosenttia tänä vuonna.

Analog Devices (ADI ) on 114 miljardin dollarin arvoinen yritys, jonka osakkeet ovat nousseet 15,67 prosenttia tänä vuonna. Se tarjoaa myös paristojen hallintajärjestelmän (BMS) ratkaisuja sähköauton paristoille.

Katsotaan nyt tarkemmin toista liittyvää yritystä, joka on suorittanut hyvin tänä vuonna.

General Motors Company (GM )

59,2 miljardin dollarin markkina-arvoinen autoteollisuuden jättiläinen on kokenut mukavan nousun osakkeidensa arvossa tänä vuonna. Kun vuodesta 2024 on jäljellä vain pari kuukautta, GM:n osakehinta on noussut 46,77 prosenttiin ja se käydään kaupaksi 52,9 dollarin hinnalla. Se tarjoaa EPS (TTM) 9,37 ja P/E-suhde (TTM) 5,63, sekä osingon tuotto 0,91 prosenttia.

General Motors on mukana autojen, kuorma-autojen ja auton osien suunnittelussa, valmistuksessa ja myynnissä, sekä tarjoaa ohjelmistopohjaisia palveluita. Se on myös edelläkävijä paristoteknologian, turvallisuuden ja suorituskyvyn edistämisessä sähköautojensa Ultium-alustalla.

Ultium esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 2020, ja sen toimitusjohtaja Mary Barra kutsui sitä:

“Monimallinen, monen osapuolen sähköautastrategia, jossa on suuria mittakaavoja, jotka kilpailevat täysikokoisen kuorma-autoliiketoiminnan kanssa, mutta paljon vähemmän monimutkaisuutta ja joustavuutta.”

Äskettäin pidetyssä kokouksessa Barra ilmoitti, että Ultium-paristobrändi poistuu, mutta totesi, että sähköautomyynnit paranevat. GM:n sähköautolinja sisältää Chevy Equinoxin ja Blazerin, GMC Hummer EV:n, Cadillac Lyriqin ja Cadillac Celestiqin.

Kurt Kelty, GM:n varapresidentti paristosolusta, myönsi kuitenkin Ultiumin merkityksen auttaa lanseeraamaan laajan valikoiman uusia sähköautomalleja ja totesi:

“(Yrityksen) siirtymisestä yksi kokoa yhteen -malliin uusiin ohjelmaspesifisiin paristoihin.”

GM suunnittelee myös rakentaa paristoprototyyppikeskuksen Michiganissa, joka avautuu vuonna 2027, mikä voi auttaa vähentämään paristojen kehitysaikaa jopa vuodella.

Tänä viikonloppuna GM julkaisi taloudelliset tuloksensa Q3 2024, jotka osoittivat, että sen liikevaihto neljännesvuonna oli 49 miljardia dollaria, 10 prosenttia enemmän kuin edellisvuonna, kun taas muokattu autoliiketoiminnan vapaa rahavirta oli 5,8 miljardia dollaria, 900 miljoonan dollarin kasvu edellisvuoteen verrattuna. Tänä aikana GM teki 1 miljardin dollarin arvosta osakeostoksia.

Yrityksen myynti Yhdysvalloissa kasvoi Q3:ssa, kun taas Kiinan toimintaympäristö säilyi haasteellisena. Sen takuukustannukset myös kasvoivat inflaatiopaineiden vuoksi.

Sähköautojen osalta yritys on menossa tuottamaan 200 000 sähköautoa Pohjois-Amerikassa tänä vuonna. Vaikka edistyessä, GM:n sähköautoliiketoiminta on edelleen työskentelemässä voitollisuuden saavuttamiseksi ja odottaa 2 miljardin ja 4 miljardin dollarin parantumista sähköautotappioissa.

Johtopäätös

Kun puhtaan energian siirtymä kiihtyy terävästi hallituksen politiikkojen, kannustimien ja teollisuuden strategioiden ansiosta, maailma on siirtynyt sähköautoihin. Sähköautojen nopea kasvu korostaa paristojen olennaisen roolin ja vaatii siten korkean tehokkuuden ja turvallisuuden. Tässä teknologiat kuten elektrokemiallinen impedanssispektroskopia ja innovatiiviset paristojen hallintajärjestelmät voivat auttaa parantamaan, miten seurataan sähköautojen paristojen terveyttä ja edistää turvallisempaa ja kestävämpää sähköauton käyttöä.

Kun tutkijat, yritykset ja hallitukset keskittyvät parantamaan sähköautojen paristodiagnostiikkaa, näemme pidemmän ikäisen paristot, turvallisemmat suunnittelut, tehokkaamman virtavarastoinnin, jotka ovat kaikki keskeisiä sähköautojen saavuttamiseksi laajaan hyväksymiseen. Nämä innovaatiot voivat myös auttaa saavuttamaan kunnianhimoisia maailmanlaajuisia ilmastoja, johtaa puhtaampaan ja kestävämpään tulevaisuuteen.

Klikkaa tästä luetteloon 10 parasta sähköauton osaketta sijoittaa.