Elektryczne pojazdy bateryjne. Skąd pochodzi energia?

Element podstawowy - ogniwo elektrochemiczne

Składają się one zawsze z elektrody dodatniej oraz elektrody ujemnej. Znajdują się w elektrolitach, które mogą mieć postać ciekłą, żelową lub stałą. Elektrolit przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i jest izolatorem dla elektronów. Aby elektrody się nie stykały - co mogłoby spowodować zwarcie – pomiędzy nimi znajduje się separator.

Podczas rozładowania materiał aktywny na elektrodzie ujemnej ulega utlenianiu (oddaje elektrony), natomiast na elektrodzie dodatniej zachodzi proces redukcji (pobierane są elektrony). Elektrony muszą przejść przez zewnętrzny obwód elektryczny, w którym znajduje się „odbiornik” (np. silnik lub inne urządzenie). Wewnątrz ogniwa następuje wyrównanie ładunku, ponieważ powstałe przy utlenianiu jony przepływają przez separator z elektrody ujemnej na dodatnią. Proces ten został przedstawiony na rys. 1 na przykładzie ogniwa litowo-jonowego podczas rozładowania. Podczas ładowania na zewnętrznym obwodzie przyłożone jest napięcie, a przepływ elektronów i jonów odbywa się w przeciwnym kierunku.

Baterie litowo-jonowe

Pod pojęciem baterii litowo-jonowej (LIB) kryje się grupa systemów bateryjnych, których ogniwa mają wspólną cechę: litowe jony (Li) jako „jon roboczy” oraz dwie elektrody międzywarstwowe (interkalacyjne), w których jony litu są wbudowywane i wyjmowane (interkalacja). Elektroda ujemna składa się najczęściej z grafitu, a elektroda dodatnia z tlenku metalu przejściowego lub fosforanu metalu. Lit pozostaje jonem przez cały czas pracy ogniwa - nie oddaje ani nie przyjmuje elektronów. Elektrony wymieniane są przez materiały elektrodowe. W ten sposób LIB różnią się od innych typów baterii.

Wyjątkowo wysokie gęstości energii LIB wynikają zarówno z wysokich napięć znamionowych, jak i z niskiej gęstości litu, który z wartością 0,534 kg/l jest najlżejszym metalem w układzie okresowym. Warto jednak zauważyć, że w obecnych katodach LIB lit nie występuje w czystej postaci, lecz - jak wspomniano - w postaci tlenków metali lub fosforanów metali, co nieco zmniejsza przewagę gęstości. Napięcie znamionowe to średnie napięcie podczas rozładowania ogniw lub całych systemów bateryjnych. Ogniwa litowo-jonowe o chemii NCM lub NCA mają napięcie znamionowe około 3,7 V. Dla porównania: napięcie znamionowe ogniw ołowiowo-kwasowych wynosi około 2 V, a ogniw niklowo-kadmowych (NiCd) i niklowo-metalowo-wodorowych (NiMH) - 1,2 V lub 1,2-1,4 V.

Kolejnymi zaletami LIB są niska samorozładowalność i brak efektu pamięci. Ponieważ LIB są bardzo wrażliwe na głębokie rozładowanie i przeładowanie (co może prowadzić do szybkiego starzenia się lub niebezpiecznego przegrzania), wymagają systemu zarządzania baterią (BMS), który monitoruje napięcie i temperaturę każdej pojedynczej celi.

Różne rodzaje ogniw

Typowymi tlenkami metali stosowanymi w bateriach litowo-jonowych (LIB) do pojazdów są litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe tlenki (LiNi_xCo_yMn_zO₂) lub litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe tlenki (LiNi_xCo_yAl_zO₂). Dla tych związków stosuje się skróty NCM (również NMC) oraz NCA, wywodzące się od angielskich nazw: Nickel-Cobalt-Manganese/Nickel-Cobalt-Aluminium.

Zwłaszcza w przypadku NCM zmienia się udział niklu (x), kobaltu (y) i manganu (z). Pierwsze ogniwa NCM zawierały materiał o stosunku 1-1-1, czyli wszystkie trzy metale występowały w równych proporcjach. Kompozycja ta była dobrym kompromisem między gęstością energii a bezpieczeństwem. W ostatnich latach opracowano warianty o wyższej zawartości niklu (np. 5-2-3, 6-2-2 lub 8-1-1), aby jeszcze bardziej zwiększyć gęstość energii. Bezpieczeństwo w tych rozwiązaniach zapewniają przede wszystkim nadrzędne systemy zarządzania baterią (BMS). Również w przypadku NCA można modyfikować udział składników x, y i z, przy czym procentowe udziały najczęściej wynoszą około 80/15/5.

Baterie LFP: wiele zalet, ale niższa gęstość energii

W ostatnim czasie w bateriach LIB zyskał na znaczeniu materiał katodowy fosforan litowo-żelazowy (LiFePO₄), oznaczany skrótem LFP (pochodzącym od angielskiej nazwy Lithium Ferro Phosphate). Jak wynika ze wzoru chemicznego, baterie LFP nie zawierają kobaltu, niklu ani manganu. Są one również uważane za bardzo trwałe cyklicznie, umożliwiają wysokie natężenia ładowania/rozładowania, cechują się płaskim przebiegiem napięcia i można je stosować w szerokim zakresie stanu naładowania (do 95% zainstalowanej pojemności brutto).

Dodatkowe zalety to niższa cena i wysoki poziom bezpieczeństwa na poziomie ogniwa. Wadą natomiast jest mniejsza gęstość energii w porównaniu do baterii NCM/NCA. Podczas gdy obecne pakiety baterii NCM/NCA, pod względem kształtu i wielkości, nadają się do pojazdów użytkowych.

Przykładem kompaktowej ładowarki teleskopowej jest Kramer KT144e z napięciem 96 V. Silnik elektryczny napędu ma moc 23,2 kW, a silnik do hydrauliki roboczej – 25,2 kW. Pojemności baterii NCM wynoszą 18 lub 28 kWh. W modelu Fendt e107 S Vario stosowane są ogniwa pryzmatyczne NCM (napięcie znamionowe 670 V, pojemność 100 kWh).

Baterie LFP

Baterie LFP, odnosząc się do pojemności brutto, mają gęstości energii masowej i objętościowej do 180 Wh/kg i 270 Wh/l, natomiast według szacunków autora obecnie baterie LFP osiągają jedynie ok. 70–80% tych wartości. Wynika to głównie z niższego napięcia znamionowego, które w bateriach LFP wynosi jedynie ok. 3,3–3,4 V. Kolejną wadą jest wysoka wrażliwość na niskie temperatury, co jeszcze bardziej ogranicza dostępną ilość energii poniżej temperatury zamarzania w porównaniu do baterii NCM/NCA.

W segmencie samochodów ciężarowych obecnie można zaobserwować trend w kierunku baterii LFP. Jednym z czynników napędzających jest technologia Megawatt Charging System (MCS) z szczytowymi mocami ładowania do 1000 kW. Dzięki temu baterie ciężarówek mają być w przyszłości ładowane w trakcie przerw na jazdę kierowcy z poziomu 20% do 80% stanu naładowania (SOC) w ciągu 30 minut. Jednym z przedstawicieli jest nowy Mercedes-Benz eActros 600 (pojemność netto baterii 600 kWh, napięcie 800 V).

W seryjnych elektrycznych pojazdach rolniczych do tej pory stosowane są tylko ogniwa NCM. Przykładami są traktory Fendt e107 S Vario, Rigitrac SKE40 oraz kompaktowa ładowarka teleskopowa Kramer KT144e.

Baterie LFP prawdopodobnie wkrótce pojawią się także w traktorach. Chiński producent ZSHX Advanced Tractor zapowiedział montaż takich baterii w modelu XEEVO E904i, który ma być dostępny na rynku od drugiej połowy 2025 roku.

Baterie litowo-jonowe (LIB) i formaty ogniw

Baterie LIB do pojazdów elektrycznych często składają się z setek, a czasem tysięcy pojedynczych ogniw. Na przykład w Tesla Model S zamontowano 7104 ogniwa cylindryczne. Oprócz ogniw cylindrycznych istnieją także ogniwa pryzmatyczne oraz pouch (workowe). Pod względem chemicznym ogniwa te są podobne, ale ich kształt wpływa na tzw. packaging - czyli sposób montażu ogniw w moduły i pakiety baterii, wraz z mocowaniami, płytami chłodzącymi/kanalikami oraz połączeniami elektrycznymi i danych.

Ogniwa cylindryczne oznaczane są według wymiarów. Przykładowo 18650 oznacza 18 mm średnicy i 65 mm długości. Tesla stosowała te ogniwa w swoim pierwszym samochodzie elektrycznym (Tesla Roadster, 2008), gdzie były one wcześniej używane w laptopach. W nowszych modelach (np. Model 3 i Model S Raven) stosuje się ogniwa 21700 o chemii dostosowanej do motoryzacji (NMC lub NCA). Najnowszym rozwojem są znacznie większe ogniwa 4680 (średnica 46 mm, długość 80 mm). Zapis bez ostatniej cyfry zero (np. 1865 zamiast 18650) zyskuje na popularności.

Ogniwa pryzmatyczne i pouch mają podobną konstrukcję, różnią się jednak obudową - pierwsze mają sztywną obudowę, drugie to rodzaj zgrzewanego aluminiowego woreczka, dlatego nazywane są także „coffee-bag” (ogniwa w torebce). Standardowe formaty ogniw pryzmatycznych to 91x148x26,5 mm oraz 115x172x45 mm (długość x szerokość x wysokość).

Napięcia w systemach bateryjnych

Napięcia i prądy wymagane w pojazdach elektrycznych osiąga się poprzez połączenia szeregowe i równoległe ogniw. Na przykład bateria HVB 250-400 firmy Designwerk (tabela 1) składa się z czterech równoległych ciągów, każdy z 96 ogniw połączonych szeregowo (konfiguracja 96s4p). Przy napięciu znamionowym ogniw 3,74 V i pojemności 177 Ah daje to napięcie baterii 359 V (96 × 3,74 V) i pojemność 708 Ah (4 × 177 Ah). Z napięcia i pojemności można obliczyć energię brutto 254 kWh. Maksymalne napięcie baterii wynosi 416 V (w pełni naładowana, SOC 100%), a minimalne 319 V (rozładowana, SOC 0%).

Typowy spadek napięcia przy zmniejszającym się SOC jest charakterystyczny dla baterii NCM. Grafika 2 pokazuje przebieg napięcia dla nieco mniejszej baterii Designwerk HVB 220-400. Teoretycznie dzięki łączeniu ogniw można uzyskać dowolne napięcie. Najczęściej stosowane klasy napięć w bateriach trakcyjnych to: 48, 96, 400, 600 i 800 V. Systemy 48 V pozwalają na moc silników elektrycznych do ok. 15 kW, 96 V – do ok. 40 kW. W elektromobilności napięcia powyżej 60 V są już traktowane jako wysokie napięcie i wymagają specjalnych środków ochronnych.

SOC, SOH, DOD i inne

W kontekście baterii trakcyjnych pojawia się wiele pojęć i skrótów. Pojemność brutto to ilość energii zainstalowana przez producenta baterii. Aby uniknąć przeładowania i głębokiego rozładowania, nie można jej jednak w pełni wykorzystać. W bateriach NCM i NCA do dyspozycji jest netto ok. 80–90%, w bateriach LFP ok. 95%. Wskaźnik stanu naładowania (State-of-Charge, SOC) nie zawsze odnosi się do pojemności netto w stanie nowym, ponieważ producenci pojazdów często przewidują rezerwę bezpieczeństwa, by przy SOC 0% dało się dojechać do następnej stacji ładowania.

Niektórzy producenci uwzględniają też w wyświetlaniu SOC spadek pojemności wynikający z nieuniknionego starzenia. Miara tego stanu to stan zdrowia baterii (State-of-Health, SOH). Zakłada się, że baterie trakcyjne mogą być używane do momentu osiągnięcia SOH na poziomie 80%. Producenci samochodów zwykle gwarantują, że ten próg nie zostanie przekroczony wcześniej niż po ośmiu latach użytkowania.

Starzenie się baterii

Wyróżnia się dwa rodzaje starzenia baterii: kalendarzowe, zależne od czasu i warunków przechowywania, oraz cykliczne, związane z liczbą i głębokością cykli ładowania/rozładowania. Każdy cykl powoduje naprężenia materiałów elektrodowych, co prowadzi do spadku pojemności i wzrostu oporu wewnętrznego. Głębokość rozładowania (DOD) wpływa na trwałość - przy rozładowywaniu w zakresie 5–95% stanu naładowania (SOC) bateria osiąga 80% żywotności (SOH) po ok. 2000 cyklach, a przy łagodniejszym rozładowywaniu 20–95% – po ok. 3000 cyklach.

C-Rate

Termin ten określa stosunek między mocą ładowania/rozładowania a pojemnością brutto baterii. Przykładowo, bateria o pojemności 100 kWh ładowana mocą 100 kW ma C-Rate równy 1 (100 kW/100 kWh). Przy mocy ładowania 50 kW C-Rate wynosi 0,5, przy 200 kW - 2. Jednostką C-Rate jest x/h, co oznacza (teoretyczny) czas ładowania.

Roger Stirnimann, wykładowca inżynierii rolniczej na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Bernie HAFL