För att veta vad som händer inuti ett litiumjonbatteri räcker det inte med att mäta spänningen och temperaturen, man måste veta laddningen i varje cell. Lösningen stavas plasmoner, ett fenomen kopplat till svängningar i nanopartiklar, och är basen för Göteborgsbaserade Insplorions fiberoptiska laddningssensor.

Vi har fått vänja oss vid rubriker om litiumjonbatterier som börjar brinna. Två färska exempel är de självbalanserade tvåhjulingarna, hoverboards, och Samsungs senaste smartmobil Galaxy Note 7. Att batterierna blir överhettade och i värsta fall fattar eld beror på att tillverkarna sakta men säkert klämmer in mer energi i en begränsad volym samtidigt som övervakningen är tämligen rudimentär. 

I många fall mäts bara batteripaketets utspänning. Det gäller exempelvis för elcyklar och mobiltelefoner. 

– Spänningen säger inget om de skadliga reaktioner som kan uppstå i batteriet, säger Patrik Dahlqvist som är vd på Insplorion. 

Produkter med lite större batterier mäter dessutom temperaturen i en punkt. Eftersom varje batteripaket består av flera celler är det inte tillräckligt.

Metoden användes i de första Teslabilarna som enbart övervakade batteripaketen avseende spänning och temperatur. För två år sedan gick företaget över till att mäta på cellnivå. Även Alelion i Mölndal – som bygger batterisystem till truckar – mäter temperatur och spänning på cellnivå för att förbättra styrningen.

Den som vill ha ännu bättre kontroll över batteriet måste mäta laddning och temperatur i varje cell. Och då inte bara voltmetriskt utan även med en sensor som sitter i batteriets kemi där problemen kan uppstå. Först då går det att styra uppladdning, balansering och förbrukning riktigt noggrant. Enligt Insplorions uppskattningar går det exempelvis att få ut upp till 25 procent mer energi utan att batteriet tar skada. Kanske lika viktigt är att man mycket mer exakt kan säga hur lång körsträcka en elbil har kvar och därmed dämpa räckviddsångesten en smula.

Än är det en bit kvar innan det går att köpa ett batteri som mäter laddningen i realtid även om den skotska batteritillverkaren AGM Batteries tillsammans med en icke namngiven elkomponenttillverkare tror såpass mycket på Insplorions teknik att de satsar 50 000 dollar för att få fram en prototyp. AGM gör specialbatterier i små serier med speciella formfaktorer eller högt energiinnehåll.

– Vi har haft en dialog med dem i mer än ett år och de ser att tekniken passar deras kunder, ­säger Patrik Dahlqvist.

Allt började hos Volvo lastvagnar som ville mäta kväveoxid i avgaserna. Under mötet dök problemet med batterierna upp och ett första projekt visade att Insplorions teknik fungerade i bly-syrabatterier. Nästa steg blev att testa på litiumjonbatterier i ett Vinnovafinansierat projekt tillsammans med professor Kristina Edströms grupp på Uppsala universitet.

– De märkte att de även kunde ha nytta av sensorn ur ett forskningsperspektiv.

Sensorn säljs idag som en del i ett forskningsinstrument och är en kvadratcentimeterstor platta belagd med miljontals nanometerstora partiklar av olika storlek och material beroende på vilket ämne som ska detekteras. 

Partiklarna är extremt känsliga för vad som händer några nanometer ovanför ytan och fungerar med både gaser och vätskor. Genom att belysa nanopartiklarna via en optisk fiber och sedan mäta förändringen i ljuset går det att läsa av den storhet som man är intresserad av. 

Tillämpningarna finns inom så vitt skilda områden som materialvetenskap, biokemi, solcells­utveckling och luftkvalitet.

För att kunna integreras i en battericell utan att påverka funktionen i batteriet måste sensorn krympas. Det ska ske genom att belägga änden av en 200 µm tjock fiber med två typer av nano­partiklar, en för laddning och en för temperatur. Nanopartiklarna skyddas av ett ytskikt som kan vara mer eller mindre tjockt beroende på vad de ska reagera på. 

I batteritillämpningen handlar det om att mäta andelen litiumjoner vilket är proportionellt mot laddningen. Tillsammans med AGM ska den fiberoptiska sensorn bakas in i cellerna till ett komplett batteri.

Att fiberoptiska sensorer skulle vara dyra avfärdar Patrik Dahlqvist som en fördom.

– Idag tillverkas de styckvis men skalar man upp och integrerar, liknar det mer halvledartillverkning. Då kommer alla stegen att rymmas i en och samma tillverkningsprocess och man slipper det manuella handhavandet.

De första kunderna för den fiberoptiska laddningssensorn räknar Insplorion med att hitta i fordonssektorn där man snabbt vill kunna trycka in mycket ener­gi under kontrollerade former, balansera cellerna och förlänga driften utan att skada batterierna. 

Det kan vara elbussar som snabbladdas vid ändhållplatserna eller personbilar där man mycket mer exakt vill veta hur mycket energi som är kvar.

Projektet med AGM ska vara klart till sommaren nästa år och resultera i en kommersiellt användbar batteriprototyp.

– Vad som händer sen får vi se, det beror på om och hur mycket de andra företagen vill gasa, då kan det bli lite högre tempo. Är man lite visionär och tittar fem, tio år fram i tiden går tekniken att miniatyrisera och kan potentiell komma in i även mindre produkter som mobiler, säger Patrik Dahlqvist.

Svängiga nanopartiklar

Plasmoner är svängningar i nanopartiklar av ­metaller som guld eller silver. De uppstår när elektronerna i partikeln påverkas av energin från ett infallande ljus. Det ­reflekterade ljuset påverkas av partikelns form och storlek. När något händer i närheten av plasmonen förändras ljusets spektrum och intensiteten på ljuset som passerar genom materialet. Förändringarna är direkt relaterade till förändringar på molekylnivå. Därmed kan plasmoner fungera som sensorer.

Insplorion

Grundat: 2010 som en avknoppning från professor Bengt Kasemos forskargrupp på Chalmers.

Antal anställda: Sex plus två till tre konsulter på heltid.

Finansiering: Runt 20 miljoner inklusive den finansieringsrunda på 10 miljoner som pågår just nu plus 10 miljoner i ”mjuka” pengar från bland annat Vinnova och Energimyndigheten. Börsnoterat sedan sommaren 2015.

Patrik Dahlqvist 
kan kalla sig serie­entreprenör efter att ha varit vd på Chalmersavknoppningarna Q-Sense och Medfield Diagnostics innan han började som vd på Insplorion i september 2013. Både Q-Sense och Insplorion härstammar ur professor Bengt Kasemos forskning.