Séria na tému Batérie v elektromobiloch 2/8

Úspech každého elektromobilu vždy závisel predovšetkým od použitej batérie. Elektromotor v elektromobiloch je totiž konštrukčne jednoduchý, spoľahlivý a jeho účinnosť presahuje 90 %. O tom, akú vzdialenosť vozidlo prejde, ako dlho sa nabíja a koľko stojí, rozhoduje predovšetkým akumulátor.

Čo tomu predchádzalo

Prvé moderné elektromobily používali klasické olovené akumulátory. Rovnaký princíp poznáme zo štartovacích batérií spaľovacích automobilov, no pri trakčnom použití boli jednotlivé články prispôsobené na opakované hlboké vybíjanie. Ich výhodou bola nízka cena, osvedčená výroba a jednoduchá recyklácia. Nevýhodou bola vysoká hmotnosť a nízka energetická hustota, teda malé množstvo uloženej energie vzhľadom na hmotnosť batérie.

Práve preto mali prvé elektromobily obmedzený dojazd. Veľký akumulátor výrazne zvyšoval hmotnosť vozidla, zhoršoval dynamiku a predlžoval čas nabíjania. Napriek tomu išlo o dôležitý medzník, pretože výrobcovia získali prvé skúsenosti s riadením nabíjania, chladením batérií a elektronikou, ktorá kontrolovala ich stav.

Významným krokom vpred boli nikel-metalhydridové batérie (NiMH). V porovnaní s olovenými akumulátormi dokázali uložiť viac energie pri nižšej hmotnosti. Zároveň lepšie znášali opakované nabíjanie a vybíjanie. Druhá generácia modelu GM EV1 či niektoré ďalšie experimentálne elektromobily preto využívali práve túto technológiu.

NiMH batérie sa rozšírili aj do prvých hybridných vozidiel. Mimoriadne úspešne ich využila Toyota Prius, ktorá dokázala potvrdiť ich spoľahlivosť aj pri dlhodobej prevádzke. Hybridné vozidlá však vyžadujú podstatne menšiu kapacitu batérie než čisto elektrické automobily, preto sa ich nevýhody prejavovali menej výrazne.

Aj NiMH technológia mala svoje limity. V porovnaní s neskoršími lítiovo-iónovými batériami mala nižšiu energetickú hustotu, vyššie samovybíjanie a horšie možnosti ďalšieho zvyšovania kapacity. Automobilky preto intenzívne hľadali nové riešenie, ktoré by umožnilo výrazne predĺžiť dojazd bez neúmerného zvyšovania hmotnosti vozidla.

Na prelome tisícročí sa pozornosť výskumných tímov sústredila na lítiovo-iónové články. Tie sa už osvedčili v notebookoch, mobilných telefónoch a ďalšej spotrebnej elektronike. Preniesť túto technológiu do automobilov však nebolo jednoduché. Vyžadovalo si to vývoj úplne nových systémov chladenia, elektronického riadenia batérie (Battery Management System – BMS) a bezpečnostných prvkov, ktoré zabránia prehriatiu alebo poškodeniu článkov.

Nástup lítiovo-iónových batérií

Ak sa v technických údajoch elektromobilu dočítame, že je vybavený lítium-iónovou batériou, dozvieme sa tým v skutočnosti iba veľmi málo. Je to podobné, ako keby sme o spaľovacom motore povedali iba to, že pracuje na benzín. Z hľadiska konštrukcie, výkonu, spotreby či životnosti môže ísť o úplne odlišné riešenia.

Ilustračné foto Mercedes-Benz-battery, viac v popise¹.

Pod spoločným označením Li-ion sa dnes skrýva viacero chemických systémov. Líšia sa materiálom katódy, čiastočne aj anódy, elektrolytom a spôsobom výroby. Každý z nich predstavuje kompromis medzi energetickou hustotou, cenou, bezpečnosťou, životnosťou, rýchlosťou nabíjania a dostupnosťou surovín. Neexistuje teda univerzálne riešenie, ktoré by bolo vo všetkých parametroch najlepšie. Výrobcovia preto volia konkrétnu chémiu podľa charakteru vozidla a jeho určenia. Tabuľka lítiových batérií

Zjednodušene možno povedať, že luxusné elektromobily s požiadavkou na čo najdlhší dojazd často využívajú batérie s vysokým obsahom niklu, zatiaľ čo mestské automobily alebo vozidlá určené na každodenné dochádzanie čoraz častejšie používajú batérie s fosforečnanom železitým, ktoré síce ponúkajú o niečo nižšiu energetickú hustotu, ale vyznačujú sa nižšími výrobnými nákladmi, vysokou odolnosťou voči opakovanému nabíjaniu a veľmi dobrou tepelnou stabilitou.

NMC – európsky štandard posledných rokov

Najrozšírenejším typom batérií v európskych elektromobiloch boli dlhé roky články označované skratkou NMC (Nickel Manganese Cobalt). Katódu týchto článkov tvorí kombinácia niklu, mangánu a kobaltu v rôznych pomeroch.

Výhodou tejto technológie je predovšetkým vysoká energetická hustota. To znamená, že do rovnakého priestoru možno uložiť viac elektrickej energie než pri väčšine konkurenčných chemických systémov. Výrobca tak môže skonštruovať ľahšie vozidlo alebo ponúknuť dlhší dojazd bez výrazného zväčšovania batériového priestoru.

Aj preto sa s batériami NMC stretávame vo veľkom množstve modelov značiek BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen, Hyundai, Kia, Volvo či Renault. Využívajú ich aj viacerí výrobcovia luxusných elektrických SUV a športových vozidiel, kde hrá každý kilogram významnú úlohu.

Vývoj pritom neustále smeruje k znižovaniu podielu kobaltu. Tento kov patrí medzi najdrahšie suroviny používané pri výrobe akumulátorov a jeho ťažba je dlhodobo predmetom diskusií z environmentálneho aj etického hľadiska. Preto sa výrobcovia postupne presúvali od starších chemických zložení NMC111 cez NMC532 a NMC622 až k dnešným článkom NMC811, ktoré obsahujú podstatne viac niklu a výrazne menej kobaltu. Výsledkom je vyššia energetická hustota aj nižšia spotreba kritických surovín.

LFP – nenápadný víťaz posledných rokov

Ak by sme sa pred piatimi rokmi spýtali odborníkov, ktorá technológia bude dominovať svetovému trhu elektromobilov, väčšina by pravdepodobne odpovedala NMC. Vývoj však nabral iný smer. Obrovský rozmach zaznamenali batérie LFP (Lithium Iron Phosphate), teda články využívajúce fosforečnan železitý. Ešte v roku 2020 predstavovali iba menšiu časť svetovej produkcie, dnes však poháňajú viac ako polovicu všetkých nových elektromobilov predaných na svete. Hlavným dôvodom je prudký rast čínskeho trhu, kde sa LFP stali prakticky štandardom.

Bez niklu a kobaltu

Na prvý pohľad sa môže zdať zvláštne, že výrobcovia začali vo veľkom používať batériu s nižšou energetickou hustotou. V skutočnosti však prináša viacero veľmi významných výhod.

Predovšetkým neobsahuje nikel ani kobalt. Výroba je preto lacnejšia a menej závislá od vývoja cien týchto strategických kovov. Zároveň sa vyznačuje veľmi vysokou tepelnou stabilitou, čo znižuje riziko nekontrolovaného prehrievania článkov pri poškodení alebo nesprávnom zaobchádzaní. Dôležitou vlastnosťou je aj mimoriadne vysoký počet nabíjacích cyklov. Pri správnom používaní zvládajú batérie LFP spravidla podstatne viac úplných nabití než väčšina článkov NMC, pričom si dlhšie zachovávajú svoju kapacitu.

Pre bežného vodiča je zaujímavá ešte jedna praktická vlastnosť. Kým pri väčšine batérií NMC výrobcovia odporúčajú pri každodennom používaní nabíjať približne na 80 %, pri batériách LFP býva bežné odporúčanie nabíjanie až na 100 %. Pravidelné úplné nabitie navyše pomáha systému BMS presnejšie určovať skutočný stav nabitia batérie.

To však neznamená, že LFP predstavuje ideálne riešenie pre všetky vozidlá. Ich energetická hustota je stále nižšia než pri moderných článkoch NMC. Ak chce výrobca dosiahnuť rovnaký dojazd, musí použiť väčší alebo ťažší batériový paket. V chladnom počasí navyše dochádza k výraznejšiemu poklesu výkonu a rýchlosti nabíjania, hoci aj v tejto oblasti zaznamenali najnovšie generácie článkov významný pokrok.

Súvisiace:

Súvisiace:
Batérie v elektromobiloch 1/8
Batérie v elektromobiloch 3/8
Batérie v elektromobiloch 4/8
Batérie v elektromobiloch 5/8
Batérie v elektromobiloch 6/8
Batérie v elektromobiloch 7/8
Batérie v elektromobiloch 8/8
Batérie v elektromobiloch – sumár 1
Batérie v elektromobiloch – sumár 2

Zdroje:

1 Foto: @YMOTORARY. Mercedes Benz battery systems Production Line for the Mercedes EQC In: Youtube [online]. 2007 [cit.2025-01-06]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=sMnXi-twfWo
2 U.S. Department of Energy (DOE)
Princíp batérií, vývoj, nabíjanie, výskum a bezpečnosť batériových systémov.
3 DOE – Office of Science
Podrobné vysvetlenie fungovania batérií, elektrochémie a lítium-iónových článkov.
4 Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
Výskum trakčných batérií, degradácia, recyklácia, druhý život batérií a výroba.
5 Argonne National Laboratory (ANL)
Vývoj nových batériových technológií, materiálov článkov a systémov ukladania energie.
6 National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Elektromobilita, nabíjanie, tepelný manažment batérií, výskum a testovanie.
7 Royal Society of Chemistry (RSC)
Recenzované vedecké štúdie o degradácii lítium-iónových batérií, elektrochémii a materiáloch.
8 International Energy Agency (IEA)
Svetový trh s batériami, výroba, ceny, suroviny, prognózy a energetická politika.
9 International Council on Clean Transportation (ICCT)>
Analýzy elektromobility, životný cyklus vozidiel, emisie a legislatíva.
10 European Environment Agency (EEA)
Environmentálne dopady dopravy, európska legislatíva a štatistiky.
11 Battery University
Praktické vysvetlenia nabíjania, životnosti, skladovania a používania akumulátorov.
12 Nabito.sk, Nabíjanie, Fotovoltaika, pre Firmy, Domácnosti
https://nabito.sk/
13 Titulná stránka blogu – Foto: Pavel Ondera, Bory mall skelet_6564, [17-5-2025] CC-BY-SA-4.0

Údaje použité v článku sú verejne dostupné v rámci informácií z médií, rozhodujúce fakty je vhodné overovať v citovaných
zdrojoch Autor pri vyhľadávaní okrem iného používa aj nástroje umelej inteligencie.