Život baterie aneb Jak jezdit na baterky co nejdál a co nejefektivněji

Baterie a akumulátory jsou dnes nedílnou součástí našich životů. Bez těchto elektrochemických zdrojů energie si dnes neumíme představit život. Jsou všude kolem nás, v každém mobilním telefonu, ovladači k televizi i v každém automobilu. S rozvojem elektromobility je ale slovo baterie nebo akumulátor stále více skloňované. Zde si ukážeme, jak rozumět bateriím a jejich efektivnímu používání v elektromobilitě, ať už jde o osobní a nákladní elektromobily nebo o elektrické autobusy.

Baterie a akumulátor

Je potřeba si nejprve vysvětlit rozdíl mezi baterií a akumulátorem.

Baterie je z pohledu elektrochemického zdroje energie soubor jednoho a více primárních článků, tedy těch, které se nedají opětovně dobíjet.

Akumulátor je elektrochemický zdroj, který se skládá z jednoho a více sekundárních článků, tedy těch, které je možno po vybití opakovaně nabíjet.

V ovladači k televizi se tedy většinou používají primární články, akumulátory v mobilních telefonech, startovací baterie v automobilech i baterie elektromobilů jsou sekundární články a měly by být správně označeny jako akumulátory. Dnes se ovšem pojmy „baterie“ a „akumulátor“ volně zaměňují a výraz „baterie“ je běžně používán pro sestavu dobíjecích článků, např. trakční baterie – tedy baterie sloužící jako zdroj energie k pohonu elektrického vozidla.

Životnost baterie – v elektromobilitě zásadní věc

Právě elektromobilita přináší spoustu otázek o tom, jak vlastně akumulátory správně používat, aby jejich uživatel dosáhl co nejdelší životnosti. Server Evropská enviromentální agentura (European Environment Agency, 2019) uvádí, že v roce 2018 dosáhl celkový podíl elektrických vozidel, tzn. plug-in hybridů (elektromobilů nabíjených zvenčí a zároveň vybavených spalovacím motorem) a vozidel s čistě elektrickým pohonem, výše 2 % z celkového množství 257 mil. vozidel. Zkušenosti s elektrickými vozidly u široké veřejnosti tedy nejsou veliké, a i mezi odbornou veřejností tak existuje spoustu mýtů, které se bateriových pohonů týkají. Tím nejpalčivějším je životnost akumulátoru elektrického vozidla. Pojďme si vysvětlit, co tedy nejvíce ovlivní životnost trakční baterie elektrického vozidla a je jedno zda se jedná o elektromobil či elektrobus.

Volba elektrochemického zdroje

První, co ovlivní životnost trakční baterie, je volba elektrochemického zdroje. Dnes jsou již téměř bez výjimky v elektromobilitě používány akumulátory na bázi lithia. Ne vždy tomu však bylo.

Druhou cestou bylo použití alkalických akumulátorů Ni-Cd nebo Ni-MH. Tato chemická složení již netrpěla degradací bez pravidelného dobíjení, tak jako u olověných baterií. Rozvoj elektromobility však plně umožnil až příchod akumulátorů na bázi lithia. I v oblasti samotných lithiových akumulátorů je mnoho podskupin podle použitých prvků v elektrodách a právě ty určují finální vlastnosti samotné trakční baterie.

První příklad ze života

První elektromobily používaly tradiční olověné baterie, které však nejsou ideální, protože velmi rychle degradují, pokud nejsou pravidelně dobíjeny do plné kapacity. Typickým příkladem takového elektromobilu jsou vozidla ŠKODA ELTRA 151L a 151 Pick-UP z počátku 90. let minulého století.

Počet nabíjecích cyklů

Životnost trakční baterie je definována dvěma ukazateli.

Prvním je kalendářní životnost, což je teoretická doba, po kterou akumulátor udržovaný na plný stav dobíjení vydrží, než dosáhne úrovně 80 % své původní kapacity.

Druhým ukazatelem, a pro potřeby elektromobility mnohem důležitějším, je cyklická životnost. Cyklická životnost znamená, kolik cyklů nabití a vybití daný akumulátor vydrží, pokud se bude opakovaně nabíjet a vybíjet. Množství takových cyklů pak závisí na hloubce vybití (DOD) a na průměrné teplotě bateriových článků v průběhu života. Příklad definice cyklické životnosti lithiového akumulátoru pro chemickou variantu lithium-titanátové baterie (LTO) je zobrazen v tabulce.

Další druhy lithiových akumulátorů mají charakteristiku své cyklické životnosti odlišnou.

Zmíněné lithium-titanátové akumulátory (LTO) mají nejvíce cyklů, v našem případě 39 000, při pravidelném vybití 80 % energie baterie (80 % DOD). LTO akumulátory jsou také vhodné na aplikace, kde je potřeba vysoký výkon, tedy velmi rychlé dobíjení a vybíjení, avšak mají menší hustotu energie (Wh/kg) než ostatní druhy lithiových akumulátorů, proto nejsou vhodné na aplikace s velmi dlouhým dojezdem na jedno nabití.

Naopak lithium magnesium kobaltové (NMC) akumulátory mají hustotu energie ve Wh/kg jednu z nejvyšších, a proto jsou vhodné na aplikace, kde je potřeba velký dojezd na jedno nabití.

Naproti tomu jde cyklická životnost. Někteří výrobci uvádějí až 6000 cyklů při pravidelném využití 80 % energie akumulátoru (80 % DOD). Abychom dosáhli podobné životnosti jako u LTO trakčních baterií, je potřeba adekvátně navýšit kapacitu NMC trakční baterie a pravidelně využívat jen její část.

Nevýhodou u všech současných lithiových akumulátorů s vysokou energetickou hustotou je také jejich neschopnost zejména rychlého nabíjení. Některé typy jsou schopny nabíjení až 2C, což znamená, že nabíjecí výkon (kW) může být dvakrát větší, než je kapacita baterie v KWh.

Naproti tomu nejvýkonnější LTO baterie jsou schopny dosahovat nabíjecích výkonů 8C. Převedeno na dobu nabíjení to znamená, že LTO baterie se z 0 na 100 % nabije za 7,5 minuty, kdežto NMC baterie za 30 minut.

Problematika doby nabíjení však musí zahrnovat ještě jeden ukazatel, a tím je teplota článků. Při nabíjení vysokými výkony rychle roste teplota článků vlivem tepelných ztrát, které jsou způsobeny růstem vnitřního odporu článků při vyšších proudech, resp. výkonech nabíjení. Z pohledu celého systému trakční baterie to znamená, že systémy pro rychlé dobíjení (2C u NMC a 8C u LTO baterií) musí mít adekvátně dimenzovaný chladicí systém.

V dnešní době se často setkáváme s názorem, že rychlé dobíjení trakčním bateriím škodí. Průzkum společnosti Geotab (viz graf na obrázku), který se soustředil na několik oblastí hodnocení trakčních baterií, upozornil na fakt, že u osobních elektromobilů trakční baterie trpí rychlým dobíjením rychlejší poklesem celkové kapacity trakčního akumulátoru.

Tento graf však nebere v potaz konstrukci trakčních baterií, protože do průzkumu byly zahrnuty jak elektromobily, které mají pasivní chlazení trakční baterie, tak i ty, které mají pokročilé kapalinové chlazení. Takové baterie se budou velmi lišit v průměrné teplotě článků. Baterie s pasivním chlazením budou mít teplotu článků v průběhu života výrazně vyšší, a tudíž jejich pokles celkové kapacity bude výrazně rychlejší oproti trakčním bateriím s aktivním kapalinovým chlazením.