Dlaczego szybkie ładowanie to śmierć baterii

Chcą wymienić olej, ale wciąż mają fatalną wadę, o której milczą producenci.

Epoka węgla została od dawna wspominana. Era ropy też dobiega końca. W trzeciej dekadzie XXI wieku wyraźnie żyjemy w dobie baterii.

ICH ROLA była ZAWSZE znacząca, odkąd elektryczność weszła w życie człowieka. Ale teraz trzy trendy sprawiły, że magazynowanie energii stało się najważniejszą technologią na naszej planecie.

Pierwszym trendem jest boom na urządzenia mobilne - smartfony, tablety, laptopy.Byliśmy potrzebni baterie do takich rzeczy jak latarki, przenośne radia i urządzenia przenośne - wszystkie o stosunkowo ograniczonym zastosowaniu. Dziś każdy ma przynajmniej jedno osobiste urządzenie mobilne, z którego korzysta niemal bez przerwy i bez którego nie wyobraża sobie życia.

DRUGI TREND to wykorzystanie odnawialnych źródeł energii i nagła rozbieżność między szczytami produkcji i zużycia energii elektrycznej. Kiedyś było łatwo: gdy wieczorem właściciele włączają piece i telewizory, a konsumpcja gwałtownie wzrasta, operatorzy elektrowni cieplnych i jądrowych po prostu muszą zwiększać moc. Ale w przypadku generowania energii słonecznej i wiatrowej jest to niemożliwe: szczyt produkcji występuje najczęściej w czasie, gdy zużycie jest na najniższym poziomie. Dlatego energię trzeba jakoś magazynować. Opcją jest tak zwane „społeczeństwo wodorowe”, w którym energia elektryczna jest przetwarzana na wodór, a następnie dostarcza paliwo do sieci i pojazdów elektrycznych. Jednak niezwykle wysoki koszt niezbędnej infrastruktury i złe wspomnienia ludzkości o wodorze (Hindenburg i inni) pozostawiają tę koncepcję na razie w tyle.

W głowach działów marketingu pojawiają się tzw. „Smart grids”: samochody elektryczne otrzymują nadwyżkę energii w szczytowej fazie produkcji, a następnie, jeśli to konieczne, zwracają ją do sieci. Jednak nowoczesne akumulatory nie są jeszcze gotowe na takie wyzwanie.

KOLEJNA MOŻLIWA ODPOWIEDŹ na ten problem zapowiada trzeci trend: zastąpienie silników spalinowych pojazdami akumulatorowo-elektrycznymi (BEV). Jednym z głównych argumentów przemawiających za tymi pojazdami elektrycznymi jest to, że mogą być aktywnymi uczestnikami sieci i pobierać nadwyżkę, aby w razie potrzeby zwrócić je.

Każdy producent samochodów elektrycznych, od Tesli po Volkswagena, wykorzystuje ten pomysł w swoich materiałach PR. Jednak żaden z nich nie przyznaje się do tego, co dla inżynierów jest boleśnie jasne: nowoczesne akumulatory nie nadają się do takiej pracy.

TECHNOLOGIA LITOWO-JONOWA, która dominuje obecnie na rynku i dostarcza od Twojego monitora fitness do najszybszego Tesli Model S, ma wiele zalet w porównaniu ze starszymi koncepcjami, takimi jak akumulatory kwasowo-ołowiowe lub niklowo-wodorkowe. Ale ma też pewne ograniczenia, a przede wszystkim skłonność do starzenia.

Większość ludzi myśli o bateriach jako o rodzaju rury, do której w jakiś sposób „płynie” prąd. W praktyce jednak baterie nie magazynują samodzielnie energii elektrycznej. Używają go do wywoływania pewnych reakcji chemicznych. Wtedy mogą rozpocząć odwrotną reakcję i odzyskać ładunek.

W przypadku akumulatorów litowo-jonowych reakcja z uwolnieniem energii elektrycznej wygląda następująco: jony litu powstają na anodzie w akumulatorze. Są to atomy litu, z których każdy stracił jeden elektron. Jony przemieszczają się przez ciekły elektrolit do katody. Uwolnione elektrony są kierowane przez obwód elektryczny, zapewniając potrzebną nam energię. Gdy akumulator jest włączony do ładowania, proces jest odwracany i jony są zbierane wraz z utraconymi elektronami.

„Przerost” związkami litu może spowodować zwarcie i zapalić baterię.

Niestety, JEDNAK WYSOKA REAKTYWNOŚĆ, która sprawia, że ​​lit jest tak odpowiedni do produkcji akumulatorów, ma swoją wadę – bierze udział w innych, niepożądanych reakcjach chemicznych. Dlatego na anodzie stopniowo tworzy się cienka warstwa związków litu, która zakłóca reakcje. I tak pojemność baterii spada. Im intensywniej jest ładowany i rozładowywany, tym grubsza staje się ta powłoka. Czasami może nawet uwolnić tak zwane „dendryty” – na przykład stalaktyty związków litu – które rozciągają się od anody do katody i jeśli do niej dotrą, mogą spowodować zwarcie i zapalenie baterii.

Każdy cykl ładowania i rozładowania skraca żywotność baterii litowo-jonowej. Ale modne ostatnio szybkie ładowanie prądem trójfazowym znacznie przyspiesza ten proces. W przypadku smartfonów nie jest to dla producentów duża bariera, w każdym razie chcą zmusić użytkowników do wymiany urządzeń co dwa, trzy lata.Ale samochody to problem.

Aby przekonać konsumentów do zakupu pojazdów elektrycznych, producenci muszą także zachęcić ich opcjami szybkiego ładowania. Ale szybkie stacje, takie jak Ionity, nie nadają się do codziennego użytku.

KOSZT AKUMULATORA TO KOLEJNA TRZECIA, a nawet więcej niż cała cena dzisiejszego samochodu elektrycznego. Aby przekonać swoich klientów, że nie kupują tykającej bomby, wszyscy producenci udzielają osobnej, dłuższej gwarancji na akumulator. Jednocześnie polegają na szybszym ładowaniu, aby ich samochody były atrakcyjne w dalekich podróżach. Do niedawna najszybsze stacje ładowania działały z mocą 50 kilowatów. Ale nowego Mercedesa EQC można ładować do 110 kW, Audi e-tron do 150 kW, co oferują europejskie stacje ładowania Ionity, a Tesla przygotowuje się do podniesienia poprzeczki jeszcze wyżej.

Producenci ci szybko przyznają, że szybkie ładowanie zniszczy baterie. Stacje takie jak Ionity są bardziej odpowiednie w sytuacjach awaryjnych, gdy dana osoba przebyła długą drogę i ma mało czasu. W przeciwnym razie powolne ładowanie baterii w domu to mądre podejście.

To, jak jest naładowany i rozładowany, jest również ważne dla jego żywotności. Dlatego większość producentów nie zaleca ładowania powyżej 80% lub poniżej 20%. Przy takim podejściu bateria litowo-jonowa traci średnio około 2 procent swojej pojemności rocznie. W ten sposób może trwać 10 lat lub do około 200 000 km, zanim jego moc spadnie tak bardzo, że stanie się bezużyteczna w samochodzie.

Oczywiście ŻYWOTNOŚĆ BATERII zależy od jej unikalnego składu chemicznego. Dla każdego producenta jest inna, a w wielu przypadkach jest tak nowa, że ​​nie wiadomo nawet, jak będzie się z czasem starzeć. Kilku producentów już obiecuje nową generację akumulatorów o żywotności „miliona mil” (1.6 miliona kilometrów). Według Elona Muska, Tesla pracuje nad jednym z nich. Chińska firma CATL, która dostarcza produkty do BMW i pół tuzina innych firm, obiecała, że ​​jej następna bateria wytrzyma 16 lat, czyli 2 miliony kilometrów. Podobny projekt opracowują również General Motors i koreański LG Chem. Każda z tych firm ma własne rozwiązania technologiczne, które chce wypróbować w prawdziwym życiu. Na przykład GM użyje innowacyjnych materiałów, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci do ogniw akumulatora, co jest główną przyczyną osadzania się kamienia litowego na katodzie. Technologia CATL dodaje aluminium do anody niklowo-kobaltowo-manganowej. To nie tylko zmniejsza zapotrzebowanie na kobalt, który jest obecnie najdroższym z tych surowców, ale także wydłuża żywotność baterii. Przynajmniej taką nadzieję mają chińscy inżynierowie. Potencjalni klienci chętnie wiedzą, czy pomysł sprawdza się w praktyce.