Akumulátory jsou pro elektromobily klíčovou součástí a současně také nejdražším náhradním dílem . V průběhu času však ztrácejí kapacitu a s tím klesá i po užitelnost daného automobilu. Co degradaci způsobuje a jak ji může uživatel ovlivnit?
Zásadní výhodou bateriových elektromobilů je jejich mechanická jednoduchost. Tuto výhodu však z velké části umazává přítomnost akumulátoru, dnes běžně složeného z mnoha článků sestavených do několika modulů. Jde o klíčovou část elektricky poháněného vozu, která přímo určuje jeho využitelnost a také představuje nejdražší náhradní díl.
DEGRADACE AKUMULÁTORŮ
Potíž je v tom, že akumulátory postihuje takzvaná degradace, přičemž jde o nevratný proces. Různými technickými opatřeními a samozřejmě i reálným užíváním elektromobilu lze pouze ovlivnit to, jak rychlá degradace bude. Zastavit ji však nelze. Vůbec největší problém ovšem představuje fakt, že elektromobily se staly fenoménem až v nedávné minulosti, a zatím chybí dostatek přesných informací o tom, jak rychle vlastně akumulátory využívané v elektromobilech stárnou, o kolik přesně se zkracuje dojezd, a kdy automobil přestává být smysluplně použitelný. Přesto (nebo právě proto) stojí alespoň základní teorie a dnes známé skutečnosti za pozornost.
„U akumulátoru existují dva základní druhy degradace,“ vysvětluje Jakub Čejka, technický ředitel společnosti IBG, zabývající se kromě jiného trakčními bateriovými systémy a dobíjecí infrastrukturou pro elektromobilitu, a pokračuje: „První je materiálová, kdy dochází k porušení samotné struktury akumulátoru, ke kterou je vázáno lithium. Druhá degradace je daná provozem. Akumulátor má rád stabilitu a klid. Čím špičkovější odběry a výkony, tím hůře pro něj.“
MEZIFÁZE PEVNÉHO ELEKTROLYTU
Při podrobnějším rozboru degradace zjistíme, že snižující se kapacita vyplývá ze ztráty iontů lithia a ztráty aktivních materiálů na katodě i anodě. Procesů přispívajících k těmto efektům existuje řada a velmi často vyplývají z chemických reakcí v jednotlivých článcích.
Jedním z těch nejdůležitějších je efekt označovaný jako SEI (solid-electrolyte interphase). Jde o jev, kdy v okolí anody existuje takzvaná oblast mezifáze pevného elektrolytu, způsobená reakcí anody s elektrolytem. Právě v této oblasti dochází k zachytávání iontů lithia. V průběhu času počet zachycených iontů roste, což způsobuje pokles kapacity daného článku. Speciálně tento režim degradace nelze nijak zásadně ovlivnit. Je dán časem. Umocňují ho ale také vysoké teploty nebo vysoké zatížení. Tyto faktory rovněž přispívají k rozkladu elektrolytu.
NEPŘÁTELSKÉ TEPLOTY A PROUDY
Obecně platí, že vysoké teploty jsou pro akumulátory asi tím vůbec nejhorším, a proto je z uživatelského pohledu dobré se vyvarovat režimů, jež je způsobují. Řeč je o rychlonabíjení a o vysokém zatížení, tedy o vysokých dálničních rychlostech a intenzivní akceleraci.
Automobilky to samozřejmě dobře vědí, a proto elektromobily využívají poměrně komplikovaný termomanagement zahrnující jak vyhřívání, tak chlazení akumulátoru. Otázkou ale je, jak ho ten který výrobce technicky vyřešil. V tuto chvíli sice již existují studie zaměřené na degradaci akumulátoru, jenže ty pracují s prvními masově vyráběnými elektromobily. Oproti nim se současná produkce výrazně liší, a navíc starší modely neměly tak široké možnosti co do výkonu nabíjení.
Pro úplnost, při rychlonabíjení dochází kromě zahřívání také k narušování základní struktury akumulátoru, protože uvnitř teče velký proud, ionty se pohybují v elektrolytu rychleji a do struktury narážejí. Stavba elektrod je zároveň jednou z oblastí ovlivňujících kvalitu akumulátoru, stejně jako přesné chemické složení článku. Konstrukce akumulátorů se liší také podle jejich určení.
U automobilů jde zejména o to, zda jsou články určené pro hybridy, nebo pro elektromobily. V případě hybridů existuje požadavek na schopnost rychlejšího nabíjení a vybíjení. Právě tuto schopnost vyjadřuje veličina C-Rate. Například akumulátor s kapacitou 1 Ah bude při 1C poskytovat proud 1 A po dobu jedné hodiny. Při 5C se ovšem akumulátor s kapacitou 1 Ah dokáže vybít pětkrát rychleji (12 minut) a během této doby poskytne pětkrát větší proud (5 A). Přesně to je požadováno u hybridů, a proto mají jejich akumulátory tuto veličinu větší.
PROBLEMATIKA DOBÍJECÍCH CYKLŮ
Dalším faktorem ovlivňujícím degradaci akumulátoru je počet nabíjecích cyklů. Podle odborníků ze společnosti IBG určuje každý výrobce článků počet nabíjecích cyklů trochu jinak. Někdy se za jeden cyklus bere nabití z 20 % na 70 %, jindy mohou být procenta odlišná. Počet cyklů se ale rovněž přepočítává na takzvané Full Cycles. Zde se za jeden cyklus bere součet menších dílčích cyklů, jako když například čtyřikrát nabijete akumulátor o 25 % a čtyřikrát ho o 25 % vybijete.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)