Vad skall batteriet användas till?

Innan vi börjar jämförelsen mellan batteritekniker är det viktigt att skaffa sig en uppfattning av vad batteriet skall användas till. En liknelse kring detta skulle vara att om man skall bedöma vilket djur som är bäst och skulle ha en tävling där djuren skulle klättra så skulle apan framstå som överlägsen elefanten.

Nickelmetallhydrid är en batterikemi som befinner sig i mellansegmentet, en sorts allt-i -allo i batterivärden där batteritekniken kan användas både i stationära tillämpningar så som elnätsstöd eller konkurrera med blybatterier i den lägre skalan av kapacitet.

Litiumjonbatterier har en energidensitet som lämpar sig bra till applikationer där batteriet behöver hög kapacitet till en låg vikt, exempelvis elbilar eller sladdlösa verktyg. Den vanligaste typen i stationära tillämpningar är litiumjärnfosfat (LiFePO) eller också kallade LFP. De har en högre kostnad och lägre energiinnehåll än litiumbatterierna som innehåller kobolt men har en högre säkerhet inbyggd i cellteknologin.

Figur 1. Olika typer av litiumjonbatterier

Nickelmetallhydrid

Denna presentation av nickelmetallhydridbatterier kommer endast baseras på den svenska tillverkaren Nilars batterier.

Nickelmetallhydrid eller NiMH är en batteriteknik som har funnits i många år. Redan den första hybridbilen som nådde stor internationell framgång Toyota Prius hade i sin första generation (och har fortfarande) ett NiMh-batteri.

Nilars batterier består av en vattenbaserad elektrolyt som ej är brandfarlig eller giftig. Batterierna är producerade i Gävle av 100% förnybar energi. Batterierna är helt återvinningsbara och innehåller inte  bly eller andra tungmetaller.

Nilars batterikemi är inte unik, men det är deras konstruktion. Nilars batteri är av en bi-polär typ med en unik design. Nilars design tillåter ett större flöde av elektroner då på grund av den större arean av ledande material. Detta leder till mindre intern resistans i batteriet vilket leder till mindre förluster

Figur 2. Nilars bipolära konstruktion

Elektroderna framställs ur ett pulver och formpressas fram. Dessa sätts sedan ihop mellan separatorer vilket bygger upp batterimoduler.

Figur 3. Elektroderna sätts ihop till moduler.

Batterimodulerna sätts ihop i en bipolär design tillsammans med en övervakningsenhet för batteripacket.

Figur 4. Nilars batteripack

Flera batteripack sätts ihop till batteristrängar som är seriekopplade batteripack.

Figur 5. Flera batteripackar kan seriekopplas för ökad kapacitet.

Nilars batterier är skalbara från kWh till MWh. Det är samma batterikemi och samma uppbyggnad av systemet. Skalbarheten gör det enkelt att designa ett system med tillräcklig kapacitet.

Nästa generations Nilar-batterier kommer förses med en teknik som kallas Re-O2. I korthet innebär den att det går att ”fylla på kapacitet” och förbättra prestandan i åldrande batterier. I NiMH-batterier torkar batteriet ut med tiden, elektrolyten som är vattenbaserad konsumeras av metallhydriden. Det Nilar tillsammans med forskare på Stockholms Universitet har lyckats med är att de för in nytt syre i batteriet vilket reagerar med vätet. Detta bildar vatten som återskapar balansen inne i batteriet. Man har i labratorieförhållanden kört processen tiotalet gånger, där man haft bättre prestanda i batteriet efter Re-O2 än ett nytt batteri! Tekniken verkar onekligen spännande!

Figur 6. Nilars Re-O2 där ett befintligt energilager återanvänds efter nytt syre tillsats till batteriet.

Teknisk prestanda

Självurladdning

NiMH-batterier har en hög självurladdning vid höga temperaturer, detta gör att man som installatör alltid skall överväga placeringen av batteriet.

Figur 7. Batteriets självurladdning vid olika temperaturer.

Cykellängd

Ju mindre del av batteriet som används ju fler cykler klarar batteriet. Hur många cykler batteriet klarar av beror på temperatur, urladdningshastighet samt hur djupt batteriet laddas ur.

Figur 8. Antal cykler i förhållande till hur mycket av batteriets kapacitet som används varje cykel.

Cellbalansering

För att batterierna ska hålla sig på samma nivå under hela livstiden måste de cellbalanseras med jämna mellanrum. Alla batterier i ett matchas så att hela strängen av seriekopplade batterier är så lika som möjligt efter att balanseringsprocessen är över.

Figur 9. Battericellerna laddas först, sen följer en viss tids väntan innan de laddas igen. Detta får de sämsta cellerna att öka upp till normala nivåer igen.

Sammanställning Nickelmetallhydrid

Fördelar

  • Säker batterikemi
  • Återvinningsbar
  • Stabil och lång drift
  • Kommande: Re-O2 ”återrenovera”
  • Kan arbeta mellan -20°C och +50°C (batterinivå, ej systemnivå).

Nackdelar

  • Lägre volymeffektivitet än litiumjon.
  • Dyrare per kWh
  • Tyngre per kWh än litiumjon

Litiumjon

Litumjonbatterier är det en hel värld talar om pga. den enorma utvecklingen som sker tack vara att vi befinner oss mitt i en elbilsrevolution. Litiumutvecklingen drivs på av bilföretag så som Tesla som byggt egna fabriker för att nå effektivitetsvinster samt få ner priserna på batterier. Litiumjonbatterier är väldigt kraftfulla och rymmer per volym mycket energi. Även litiumjonbatteriet behöver cellbalanseras. Detta görs när batteriet börjar närma sig 100% SoC. Ett litiumjonbatteri har lägre självurladdning än NiMH-batterier.

Säkerhetsmässigt består många litiumjonbatterier av en brandfarlig elektrolyt som ständigt måste övervakas av batteriets styrsystem (BMS). Ett litiumjonbatteri har dock väldigt bra cyklingsegenskaper och kan, beroende på tillverkare, klara 4000 till 6000 cykler.

Figur 10. Litiumjärnfosfatbatteri från Ferroamp – Power Station

Sammanställning Litiumjon

Fördelar

  • Hög termisk och kemisk stabilitet
  • Snabbladdningsbar
  • Goda cyklingsegenskaper

Nackdelar

  • Låg energidensitet jämfört med LiCoO2 (litiumkoboltoxid)
  • Hög spänning per cell (högre än NiMH. Lägre än andra litiumkemier (förutom LTO)
  • Sämre säkerhet än NiMH
  • Sämre temperaturspann vid drift

Slutsatser

För att knyta ihop säcken kring vilket batteri som är ”bäst” behöver man väga in vad batterilagret skall användas till. Som projektör bör man ha koll på dessa säregenskaper och utnyttja det bäst lämpade batteriet till respektive tillämpning. När hänsyn är tagna till dessa kan man navigera som projektör

Temperatur

Om batteriet skall stå kallt över vintern bör man uteslutande välja NiMH pga. dess temperaturtålighet. Är temperaturen å andra sidan hög vid drift bör man undvika NiMH på grund av den högre självurladdningen. Säkerheten för litiumbatterier påverkas dock negativt av en högre arbetstemperatur, då bör NiMH väljas pga. ökad säkerhet. Dock bör man då överväga ytterligare ventilation, då inga batterier mår speciellt bra i höga temperaturer!

Säkerhet

Både LiFePO och NiMH är klassade som säkra batterier, men med tanke på Nilars unika design med vattenbaserad elektrolyt samt stabilare batterikemi är oöverträffad vid batterisystem i bostäder.

Energidensitet och yteffektivitet

LiFePO-batterier har bättre energidensitet än NiMH vilket gör dem bättre volymeffektiva, dvs du kan lagra fler kWh per kubikmeter samt att det gör dem lättare att få plats med pga. ett lägre fotavtryck rent area-mässigt.

Pris

Om man endast kollar på kostnaden per kWh så kommer LiFePO-batteriet vara billigare. Väger man in faktorer så som effektivitet och förluster över hela produktcykeln är det svårare att kora en entydig vinnare. Det beror helt enkelt på din applikation, hur hårt batteriet pressas, temperatur under drift och många fler parametrar. Oavsett om man väljer LiFePO eller NiMH kommer man få den kvalité man betalar för!