Séria na tému Batérie v elektromobiloch 1/8

Keď sa povie elektromobil, väčšina ľudí si ako prvé predstaví batériu. Nie elektromotor, výkon či komfort jazdy, ale práve veľký akumulátor ukrytý v podlahe vozidla. Je to pochopiteľné. Batéria predstavuje najdrahšiu jednotlivú súčasť elektromobilu, významne ovplyvňuje jeho cenu, dojazd, hmotnosť aj životnosť. Zároveň je okolo nej rozšírené obrovské množstvo poloprávd, nepresností a mýtov, ktoré sa často opakujú na sociálnych sieťach, v internetových diskusiách či dokonca v niektorých médiách.

Krátky pohľad späť

Korene siahajú viac ako sto rokov do minulosti, keď boli elektrické vozidlá prirodzenou alternatívou k parným a spaľovacím automobilom. Napriek tomu sa ich rozmach na dlhé desaťročia zastavil a až koncom 20. storočia sa na trh dostal prvý moderný elektromobil skonštruovaný pre bežných motoristov.

Na prelome 19. a 20. storočia mali elektromobily viacero výhod. Nevydávali hluk, neprodukovali výfukové plyny, nevyžadovali ručné štartovanie kľukou a ich ovládanie bolo jednoduché. Ich zásadnou nevýhodou však bola nízka kapacita olovených akumulátorov, veľká hmotnosť a dlhé nabíjanie. Rozvoj spaľovacích motorov, objavenie lacnej ropy a masová výroba automobilov tieto vozidlá na mnoho desaťročí vytlačili na okraj záujmu.

Nová etapa sa začala v deväťdesiatych rokoch minulého storočia. Sprísňovanie emisných predpisov v americkej Kalifornii prinútilo výrobcov automobilov opäť investovať do elektrického pohonu. Najvýznamnejším výsledkom sa stal model General Motors EV1 predstavený v roku 1996. Bol navrhnutý výhradne ako elektromobil a nešlo o prestavbu vozidla so spaľovacím motorom.

GM EV1 bol technicky mimoriadne pokrokový. Mal aerodynamickú karosériu, nízky koeficient odporu vzduchu, hliníkovú konštrukciu a elektrický pohon navrhnutý od začiatku ako jeden celok. Prvé vozidlá používali olovené akumulátory, neskôr ich nahradili modernejšie nikel-metalhydridové (NiMH) batérie s vyššou energetickou hustotou. Dojazd sa podľa verzie pohyboval približne od 110 do viac ako 200 kilometrov.

Zaujímavosťou je, že GM EV1 sa bežným spôsobom nepredával. General Motors ho poskytoval iba formou dlhodobého leasingu. Celkovo vzniklo približne 1 100 kusov oboch generácií. Väčšina vozidiel bola po ukončení programu stiahnutá a zošrotovaná, čo vyvolalo značnú kritiku odbornej aj laickej verejnosti a neskôr sa stalo námetom známeho dokumentárneho filmu Who Killed the Electric Car?

Prvé sériové elektromobily ukázali, že rozhodujúcim prvkom nie je elektromotor, ale batéria. Práve jej kapacita, hmotnosť, rozmery, cena a životnosť určovali, či bude vozidlo prakticky použiteľné.

Najdrahšia súčiastka auta alebo technologický zázrak?

Jedni sú presvedčení, že batéria po piatich rokoch stratí polovicu kapacity a elektromobil sa stane prakticky nepoužiteľným. Iní tvrdia, že výmena batérie stojí viac ako celé vozidlo alebo že po skončení životnosti predstavuje nebezpečný odpad bez možnosti ďalšieho využitia. Na opačnej strane stoja výrobcovia automobilov, ktorí hovoria o životnosti presahujúcej niekoľko stotisíc kilometrov a o možnosti recyklovať väčšinu cenných materiálov.

Foto: By Dewalttx – Own work, GM EV1, CC BY-SA 4.0 [online] 2002, ilustračné¹.

Ako je to v skutočnosti?

Odpoveď nie je jednoduchá, pretože moderné trakčné batérie patria medzi technologicky najzložitejšie výrobky, aké sa dnes sériovo vyrábajú. Ich vývoj napreduje doslova z roka na rok a informácie, ktoré boli pravdivé ešte pred piatimi či šiestimi rokmi, už dnes často neplatia. To je aj dôvod, prečo sa pri hodnotení elektromobilov stále stretávame s údajmi, ktoré vychádzajú zo skúseností s prvými generáciami elektrických vozidiel, hoci dnešné batérie používajú odlišnú chémiu článkov, pokročilejšie riadenie nabíjania aj účinnejšie chladenie.

Práve preto sme pripravili rozsiahly seriál venovaný výhradne batériám elektromobilov. V jednotlivých častiach sa pozrieme nielen na ich konštrukciu a princíp fungovania, ale aj na životnosť, degradáciu, bezpečnosť, recykláciu, ekologické aspekty, výrobu, nové technológie či ekonomiku prevádzky. Nebudeme pritom vychádzať z marketingových tvrdení jednotlivých automobiliek, ale predovšetkým z údajov Európskej únie, vedeckých štúdií, odborných organizácií a samotných výrobcov batérií.

Prečo sú lítiové batérie také výnimočné

Elektrická energia sa dá ukladať mnohými spôsobmi. V minulosti boli najrozšírenejšie olovené akumulátory, ktoré dodnes poznáme zo všetkých automobilov so spaľovacím motorom. Ich úlohou je naštartovať motor a napájať elektrickú sústavu vozidla. Na pohon elektromobilu by však boli prakticky nepoužiteľné.

Dôvodom je ich nízka energetická hustota. Inými slovami, na uloženie rovnakého množstva energie by boli niekoľkonásobne väčšie a podstatne ťažšie než moderné lítiové články. Elektromobil s olovenou batériou by vážil niekoľko ton a jeho dojazd by bol len zlomkom dnešných hodnôt.

Práve objavenie a postupný vývoj lítium-iónových akumulátorov znamenali zásadný zlom. Prvé komerčné využitie tejto technológie prišlo začiatkom deväťdesiatych rokov minulého storočia v prenosnej elektronike. Notebooky, mobilné telefóny či digitálne fotoaparáty získali výrazne vyššiu výdrž pri menšej hmotnosti. O niekoľko rokov neskôr sa ukázalo, že rovnaká technológia je vhodná aj pre automobilový priemysel.

Dnes využívajú lítium-iónové články prakticky všetci významní výrobcovia elektromobilov. Neznamená to však, že ide o jediný typ batérií. Pod spoločným označením „lítium-iónová batéria“ sa totiž skrýva niekoľko odlišných chemických zložení katód a anód, pričom každé má svoje výhody aj nevýhody.

Niektoré sa vyznačujú vysokou energetickou hustotou a umožňujú dlhší dojazd, iné sú mimoriadne odolné voči opakovanému nabíjaniu, ďalšie ponúkajú nižšie výrobné náklady alebo vyššiu tepelnú stabilitu. Aj preto dnes neexistuje jedna univerzálna batéria vhodná pre všetky vozidlá.

Batéria nie je jeden veľký článok

Veľmi rozšírenou predstavou je, že trakčná batéria elektromobilu tvorí jeden obrovský akumulátor podobný autobatérii. Skutočnosť je však úplne iná.

Batériový systém pozostáva z tisícov jednotlivých elektrochemických článkov. Tie sa spájajú do menších celkov nazývaných moduly a z nich následne vzniká celý batériový paket. Je to podobné, ako keď je múr postavený z tisícov tehál. Poškodenie jednej tehly ešte neznamená zrútenie celej stavby.

Počet článkov závisí od konštrukcie konkrétneho vozidla. Napríklad prvé generácie elektromobilov Tesla obsahovali viac ako sedemtisíc valcových článkov podobných tým, ktoré sa používali v notebookoch. Dnešné vozidlá často využívajú väčšie prizmatické alebo tzv. pouch články, takže ich počet býva výrazne nižší. Vývoj však smeruje aj k úplne novým konštrukciám, pri ktorých sa jednotlivé články stávajú priamo súčasťou nosnej konštrukcie vozidla. Takéto riešenie znižuje hmotnosť, zvyšuje pevnosť karosérie a zároveň umožňuje uložiť viac energie pri rovnakých rozmeroch.

Samotné články by však bez ďalšej elektroniky nedokázali spoľahlivo fungovať. Každý moderný elektromobil preto obsahuje zložitý systém riadenia batérie označovaný skratkou BMS (Battery Management System). Ten nepretržite sleduje napätie, prúd, teplotu aj stav jednotlivých článkov. Ak by niektorý z nich začal vykazovať odlišné správanie, systém automaticky upraví nabíjanie alebo vybíjanie tak, aby zostala zachovaná bezpečnosť aj životnosť celej batérie.

Práve BMS patrí medzi najdôležitejšie prvky elektromobilu. V mnohých prípadoch má na životnosť batérie väčší vplyv než samotná chemická skladba článkov. Moderné riadiace algoritmy dokážu vyrovnávať rozdiely medzi jednotlivými článkami, zabraňovať ich preťaženiu a optimalizovať nabíjanie podľa aktuálnej teploty či spôsobu jazdy. Výsledkom je podstatne pomalšia degradácia, než akú poznali prvé generácie elektrických vozidiel.

Súvisiace:

Súvisiace:
Batérie v elektromobiloch 2/8
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: By Dewalttx – Own work, CC BY-SA 4.0 [online] 2002. Dostupné z:
https://en.wikipedia.org/wiki/General_Motors_EV1#/media/File:EV1_charging_at_Walnut_Creek_BART_Station_2002.jpg
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/

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.