I andra delen av batterikampen tittar jag närmare på de olika celltypernas konstruktion snarare än deras katodkemi. Det finns tre vanliga cellkonstruktioner som förekommer i elbilar, cylindriska, prismatiska och påsceller. Jag kommer att titta närmare på varför Teslas val av cylindriska celler istället för de andra två typerna av celler, som i princip alla andra tillverkare använde, var ett genidrag just då. Det är dock inte självklart att den cylindriska cellen är den rätta vägen att gå framöver, vilket illustreras av att Tesla nu verkar byta till en prismatisk cell (LFP-cell) för deras instegsmodell Model 3 Standard Range på den kinesiska narknaden.
Cylindriska celler är lätta att tillverka på grund av den cylindriska formen, har god mekanisk stabilitet och expanderar och deformeras inte under påfrestning och när den åldras. Konstruktionen möjliggör nämligen en övertrycksventil i toppen, vilket gör att eventuella gaser kan ventileras ut om cellen degenereras. Prisläget för Teslas första cylindriska cell, en standardcell (18650) som redan var vanlig på marknaden 2008, var lägre än för motsvarande prismatiska och påsceller eftersom den funnits länge och man hade kapat produktionskostnader redan. Dessutom kom Tesla in i bilden när efterfrågan på dessa hade börjat minska till förmån för de plattare andra typerna (till smartphones/laptops etc.), varför de till en början hade god tillgång till celler (se figur 1).
Tesla utnyttjade det ”onödiga” utrymme som uppstår mellan packade cylindriska celler till att cirkulera kylvatten och tillsammans med ett bra BMS (battery management system) gjorde de genom ett trollslag en nackdel med den billiga celltypen till en fördel. Cylindriska celler var alltså ett ypperligt val av Tesla i början. Cellerna packades i moduler för att man lätt skulle kunna byta ut en defekt modul och laga packet. Erfarenheten av att använda så många celler i ett fordon och att bygga så stora batteripack var begränsad vid denna tidpunkt så detta var det naturliga sättet att agera. Det visade sig vara smart eftersom en hel del batteripack behövde repareras på de riktigt tidiga fordonen. Reparationstiden blev kort eftersom en modul kunde bytas och batteripacket sättas ihop igen. Oftast var det dock inte defekta celler som orsakade batterifel, utan problem med elektroniken som kopplade ihop alla celler.
I takt med att antalet batteriproblem har blivit lägre har dock tillverkare som Tesla (tillsammans med CATL) börjat snegla på att skippa modulpackningen och packa celler direkt i packet för att få plats med 10-15% fler celler och öka räckvidden. det har nyligen aktualiserats genom att Tesla anges överväga LFP-celler i Kina. LFP-celler har lägre energidensitet och att packa in fler är nödvändigt för att nå acceptabel räckvidd. Eftersom LFP-celler fortfarande är såpass mycket lägre i energidensitet (per volymsenhet) verkar Tesla också göra det oväntade draget och (tillfälligt?) överge sina cylindriska celler till förmån för prismatiska. De måttanpassas av CATL och detta har fördelen att Tesla alltså verkar kunna nå 50 kWh med LFP-celler.
Grafik på nedre delen av figuren taget från: JMBatterysystems.com
Prismatiska celler har fördelen att de är formade som block och kan packas effektivt i batteripacket. Den klassiska prismatiska cellen har likt den cylindriska cellen ett hårt hölje som omsluter själva cellen. Även påsceller är en undertyp av prismatiska celler där det hårda höljet ersatts av en mjukare ”påse” för att spara utrymme. Det är påsceller man återfinner i t.ex. mobiltelefoner. Den har den högsta packningstätheten av alla celler, 90-95%. Ett visst utrymme måste dock lämnas i påscellen för den svällning som inträffar när cellen åldras, knappt 10% svällning över 500 cykler är ett typiskt värde för en liten påscell. De flesta tillverkare förutom Tesla och GM använder prismatiska celler. GM använder för närvarande påsceller till sin Bolt.
Prismatiska celler har liksom cylindriska en övertrycksventil som minskar risken för att cellen sväller och spräcker omgivande material, men är trots det känsligare än den mycket robusta cylindriska formen. Ventilen möjliggör också att cellen aktiveras genom en första laddcykel vid ett senare tillfälle. När ett li-jonbatteri genomgår sin första laddcykel bildas ett hårt lager mellan elektrolyt (vätska som litiumjoner kan transporteras igenom) och elektroden, det så kallade SEI-lagret (SEI = solid-electrolyte-interface).
SEI-lagret är oerhört viktigt eftersom det är permeabelt för litiumjoner men blockerar elektroner och förhindrar att anoden bryts ner vid laddcykling. Det bildas vanligtvis genom att den fluorinnehållande elektrolyten bryts ner lite vid första laddningen och frigör fluoridjoner som bildar olika lager på elektroderna och hindrar vidare nedbrytning. Denna process frigör gaser som behöver ventileras av. För påsceller görs detta alltså som en del av processen innan påsen svetsas ihop, men för prismatiska och cylindriska celler kan aktivering ske efter att cellen monterats i fordonet vid första användning, vilket ger en kostnadsfördel. Det är påsceller som sväller upp vid degenerering som man ibland kan se i tidningar när mobiltelefoner gått sönder (bild 1). Problemet är avsevärt mindre i prismatiska celler och helt frånvarande i cylindriska. Den cylindriska cellen är alltså robustast.
Även om Tesla fick ner priset på sina batteripack vid Roasterns introduktion 2008 p.g.a. att den cylindriska cellen 18650 bara kostade hälften så mycket som de prismatiska och påscellerna per kWh (p.g.a. överkapacitet på marknaden), så är det just nu nästan dött lopp och en mängd andra faktorer som vägs in när det slutgiltiga priset på det färdiga batteripacket avgörs. Den ursprungliga ganska lilla cellen, 18650, som Tesla använde i Model S och X är ifrånsprungen (m.a.p. energidensitet) av den större cylindriska 21700, som Tesla numera använder i sina batteripack, och prismatiska och påscellerna. Faktum är att den cylindriska 21700 just nu är dyrare än de prismatiska och påscellerna (figur 3), men den skillnaden förväntas plana ut snart.
Bild: Batteryuniversity.com
Sammantaget kan man säga att Teslas drag att använda prismatiska LFP-celler rimmar väl med den bild jag målat upp. Det nya packningssättet möjliggör att man klämmer in 50 kWh i en Model 3. De kan kinatillverkas utan större kapacitetsbegränsningar, får tillgodogöra sig subventioner, använder det billigare (och miljövänligare) katodmaterialet LFP och använder prismatiska celler som just nu är billigare än cylindriska 21700. Tajmingen är alltså helt rätt just nu. Jag tror dock fortfarande att Tesla kommer att gå tillbaka till sina välkända, mer robusta cylindriska celler igen när nya katodmaterial möjliggör det även på Teslas instegsmodeller avsedda för den kinesiska marknaden.
I nästa del av batterikampen kommer jag titta på vilka nya tekniker som på kort sikt skulle kunna ta ett ordentligt kliv framåt mot ett miljövänligare batteri med högre energidensitet, samt vad förhoppningarna kan vara på lite längre sikt. Jag kommer också att spekulera i vilka som just nu verkar ligga närmast ett nytt genombrott.
Electrified 
