Bildet øverst:
Dette er en Ohio Electric fra tidlig 1900-tall, brukt av generalkrigskommissær Alf Mjøen på Gjøvik. Slike doninger var nyeste mote da. Tung bil med kort rekkevidde … (Foto Gjøvik Gård)
En utfordring med elbil er rekkevidde-angst. Ikke så rart, noe du nesten bare kan bruke i tettbygde strøk har sine begrensninger. Ny batteri-teknikk kan redusere angsten.
Av Stein Bekkevold
Poenget er elektrisk energimengde. Den måles på mange måter, men vanligst er antall kilowatt-timer. Et batteri (en samling) av celler som til sammen inneholder 100 kilowattimer (kWh) lagret energi vil teoretisk kunne drive en ti kilowatts motor i ti timer. Men ti kW er bare 13,6 hk. Spinkle greier.
Eller det kan drive en femti kW motor (68 hk) i to timer. Altså må motorytelse i kW og lagringsevne i kWh kraftig opp. Et godt, moderne batteri bør ikke ha særlig mindre enn 100-150 kWh kapasitet, om du skal ha god rekkevidde ved normal kjøring på norsk vei. I fysikken defineres for øvrig mengden i coulomb eller ampere-timer, men dropp nå det.
Men: Om alle bensinstasjoner tilbød opplading ville vel angsten forsvinne?
Gammel nyhet: Elektriske biler er ingen nyhet, de kom lenge før bensinmotoren. Men de hadde dårlige og tunge batterier fulle av bly. Mange likte elbil fordi de slapp å sveive i gang en uvillig bensinmotor. Da de fikk Ketterings elektriske selvstarter fra 1911 var elbilsagaen over, for da slapp du sveiva.
Lavere vekt: Moderne elbiler drives av batterier med poler som i stor grad inneholder det ultra-lette metallet litium, som veier 0,53 gram/cm3 mot blyets 11,3. Og de får i økende grad en elektronleder – en elektrolytt – av en smart, halvflytende plast (gel). Da kalles de litium–polymer–batteri. Mer senere.
Pluss og minus: Et batteri er en samling elektrokjemiske celler. Cellen har metallisk pluss- og minuspol. Når strøm går ut, er pluss-polen katode og minuspolen anode. Fra minus går elektroner via en leder – elektrolytten – til den andre polen. Fra denne går de til en elektrisk motor. Og til alt som skal lyse, varme opp og tute.
Et batteri skal være energieffektivt – mye strøm per kilo – og pålitelig, det skal tåle kulde og varme, rask tapping og opplading – og lagre så mye at du kan kjøre mer enn bare til og fra butikk og jobb.
kWh/kilo: Poenget når noe skal være lett og inneholde energi, er arbeidsevne per kilo energibærer. En svakhet med batterier er at de lagrer MYE mindre energi per kilo enn en tank, der energien ligger i gass (metan eller hydrogen) eller noe flytende.
Så alt du gjør for å senke systemets vekt og øke energi-innholdet er smart. Det var her litium i polene kom inn i bildet, sammen med bl.a. grafitt og kobolt. Da det senere viste seg at bruk av litiumsalt i elektrolytten til Li-ion-batteriene ikke var helt topp, begynte smarte hoder også å tenke plast.
Plast er lett, du kan gjøre omtrent hva du vil med den, og når du løser plast i et egnet løsemiddel kan du lage en gele-liknende substans – altså en gel – som er elektrisk ledende. Da får du et lett, energitett og brannsikkert batteri som lagrer mer strøm og som tåler raskere fylling og tømming.
Plasten kan være polyetylen, kanskje fra gass fra Nordsjøen, eller polyakryl-nitril (PAN), polymetylmetakrylat (PMMA) eller polyvinylfluorid (PVF). Med denne teknikken får du et moderne litium-ion-polymerbatteri.
Bildet: Formel E kjøres med elektriske biler som nå får 250 kW motor og et batteri på 385 kg. Så mye vekt må altså fortsatt til for å få de ultra-lette bilene opp i 280 km/t. Skal vedde på at de venter intenst på nye batterigenerasjoner! (Foto Mahindra Racing)
15.000 dollar? Litiumbatterier er kostbare; i 2019 lå prisen i USA rundt 150 USD per kWh. 100 kWh kostet altså 15.000 dollar eller 150 000 kroner! Nå sier GM, som sammen med sørkoreanske LG Chem reiser en fabrikk i Ohio der de skal bygge en ny generasjon batterier, at de skal lage dem for rundt 100 dollar per kWh – eller mindre. Teslas Elon Musk sier det samme. Et 80 kWh batteri vil dermed koste 80.000 kroner. Eller mindre.
GM utvikler poler som reduserer mengden kobolt, et stoff de til 70 prosent kan erstatte med aluminium. Og de legger alt i en bag de kan stable tettere enn sylindriske celler, og gi batteriet ønsket form.
Det blir en pakke som er 25 prosent lettere enn dagens. Formen gjør at de kan sette inn 20 kW ekstra om du vil. GM sier at de fra 2021 vil ha fabrikken i full drift og at de – etter å ha lansert 20 nye el-bilmodeller til 2023 – vil selge en million av dem årlig fra 2025. Og det bare i USA og Kina.
To motortyper: Det som påvirker strømforbruket i en elbil bortsett fra bakker, akselerasjon og kuldegrader, er motortypen. Den påvirker også installasjonen. Du kan velge mellom to: Likestrøms-motor som går på strøm fra batteriet (likestrøm), og vekselstrøms-motor – der noe må gjøre om likestrømmen til vekselstrøm.
Startmotoren på en forbrenningsmotor går på likestrøm. Likestrøms-motorer er lette å styre men krever mer vedlikehold og er ganske dyre.
Derfor bruker mange elbiler nå vekselstrømsmotor av asynkron type. Noen kaller dette AC-motor, men det betegner strømtypen (alternating current, vekselstrøm).
Her må kraftelektronikk hakke opp likestrømmen til vekselstrøm. Den som gjør dette, heter veksel-retter, og den andre – som lader batteriet via vekselstrøms-dynamoen og ved oppbremsing – heter likeretter. De er smarte, enkle og greie å ha med å gjøre, så i mange av dagens elbiler sitter det en kjapp, lett og pålitelig vekselstrømsmotor som gir deg hundre prosent dreiemoment fra 1 o/min. Og DET merker du.
Historisk har et Li-Ion-batteri bestått av en negativ elektrode av karbon (grafitt) og en positiv av et metalloksid (LiCoO, LiFePO eller LiMnO), mens elektrolytten har vært et litiumsalt løst i et organisk stoff. Nyere forsøk har bl.a. benyttet grafén-elektroder (en form for karbon). Karbon er kull.
Elektrolytten har vært etylen-karbonat eller dietyl-varianten. Forsøk med nanoteknologi har vært lovende. Da litium er svært reaktivt, bør de ikke bruke en vandig løsning. Litium danner nemlig eksplosiv hydrogengass. Og batterikassen må være 100 prosent vann- og fukt-tett. I 2017 så vi de første tegn til en ny fremtid: Summen av krav til levetid, lagringsevne, hurtiglading og senket pris, lot til å skape et marked for nyheten LiFePO (litium-jern-fosfor-oksid). Sony kaller disse for Fortelion.
Men de må bruke karbon for å øke ledningsevnen. Dette kompliserer. Snarere enn å bruke et litiumsalt (a la LiPF6) elektrolytt vil også de bruke en dopet plast. Teknikken kalles nå SPE (Solid Polymer Electrolyte) og baseres på fire typer plast. Disse kan ha tre former, ifølge Panasonic: tørr SPE, gel-formet SPE eller porøs SPE.
Forfatteren er bil- og fly-ingeniør og har tidligere arbeidet ved Saab AB i Linköping (fly) som konstruktør og i Teknisk Ukeblad som fagredaktør/sjefredaktør.
