Obavy z nízké životnosti baterií elektromobilů jsou zbytečné, můžou vydržet dlouhé roky, říká vědec
Jednou z hlavních překážek v rozvoji elektromobility je obava veřejnosti ohledně životnosti vysokonapěťových baterií. Jak ale vysvětluje výzkumník Tomáš Kazda, strach je neopodstatněný.
Redakce Obnovitelně.cz
26. 4. 2023
Odborník na problematiku baterií Tomáš Kazda se v rámci svého působení na VUT Brno, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií věnuje výzkumu a vývoji materiálů pro akumulátory. V současnosti působí také jako předseda Českého bateriového klastru. Po našich dvou cestách 1 300 km kolem republiky v zimě a v létě v roce 2021 jsme Tomášovi poskytli diagnostická data logovaná během cest.
S Tomášem jsme také měřili degradaci vysokonapěťové baterie tří elektromobilů Hyundai Ioniq Electric 28 kWh s nájezdy 78 až 280 tisíc kilometrů. A výsledek? Po stovkách tisíc ujetých kilometrů klesla kapacita baterie v průměru jen o čtyři procenta, a to zejména z takzvaného bufferu, tedy části kapacity akumulátoru, kterou uživatel stejně nemůže využívat.
V následujícím rozhovoru, rozebereme, jak rychle akumulátory degradují v reálném provozu, jak se k nim nejlépe chovat a do jaké míry lze vysloužilé baterie recyklovat. Text původně vyšel na portálu Autonabíječka.
Jaké jsou v současnosti nejpoužívanější baterie co se jejich složení týče?
V současnosti dle roční kapacity produkce to jsou Lithium-iontové baterie, které v roce 2021 dorovnaly a v současnosti překonaly produkci olověných baterií, které měly v předchozích letech takřka neotřesitelnou pozici. Pro příklad: dle jedné ze studií se v roce 2010 celosvětově vyrobilo 24 gigawatthodin Li-ion baterií a 302 gigawatthodin olověných baterií. V roce 2021 se ale celosvětově vyrobilo shodně něco přes 400 gigawatthodin Li-ion i olověných baterií.
To je více jak patnáctinásobný růst produkce Li-ion baterií!
Ano. Do roku 2025 by pak celosvětová roční produkce Li-ion baterií měla přesáhnout 1000 gigawatthodin. Nárůst je obrovský.
Jsou tedy Li-ion baterie nejvhodnější pro elektromobily? A pokud ano, tak proč?
Přesně tak, je to technologie Li-ion baterií, jelikož jejich gravimetrická a volumetrická hustota energie, tedy množství energie, které uloží do jednoho kilogramu nebo do jednoho litru, je nejvyšší.
To je pro realizaci v elektromobilu s relevantním dojezdem zcela stěžejní. Li-ion akumulátory současně zaručují dostatečnou životnost a rychlé nabíjení. V současnosti nejpoužívanější skupinou elektrodových materiálů pro Li-ion jsou pak katody na bázi NMC, tedy oxidu lithia, niklu, manganu a kobaltu.
Elektromobilisté hodně řeší dojezd. Proč po nočním stání poklesne zobrazovaná kapacita baterie elektromobilu? Všiml jsem si toho hlavně v zimě.
Může to být dáno vnitřním odporem baterie. Při nízké teplotě dojde k nárůstu vnitřního odporu a poklesu napětí na článcích, díky čemuž klesne zobrazovaná zbytková kapacita. V okamžiku, kdy dojde k ohřátí článků na pracovní teplotu, jejich napětí opět stoupne a zbytková kapacita se zvětší.
Jaká je kritická teplota baterie, pod kterou by teplota neměla klesnout? A kolik stupňů by neměla překročit?
Každý typ baterie má určitý optimální rozsah pracovních teplot. V případě Li-ion baterií se uvádí jako standardní rozsah pracovních teplot obvykle zhruba 0–50 °C. Je také rozdíl mezi pracovním rozsahem teploty pro nabíjení a pro vybíjení. V případě vybíjení je rozsah deklarovaný výrobci většinou větší především do záporných teplot.
Spočítejte si úsporu a získejte střešní elektrárnu do několika týdnů
Obecně lze říct že limitní teplota dle technických listů je nejčastěji -20 stupňů Celsia. Avšak dle zkušeností z laboratoře víme, že kvalitně vytvořená baterie je schopna fungovat i při -30 stupních Celsia za jasně definovaných provozních podmínek. V případě elektromobilu se však o teplotní komfort baterie a správný pracovní rozsah a zatížení stará BMS (Battery Management System).
Degradace baterií zatím není zásadní
V ČR začaly být elektromobily více používané zhruba před pěti až šesti lety. Začínáš vidět problémy s poklesávající kapacitou baterie elektroaut?
Nemůžu říct, že bych znal vlastníky všech elektromobilů v rámci ČR, takže mohu vycházet pouze ze zkušeností majitelů vozů v mém okolí. A vycházím také například z dat, která jsme získali při našem společném testování zbytkové kapacity tří elektromobilů Hyundai Ioniq Electric 28 kWh.
Také na základě této zkušenosti mohu říct, že nepozoruji nějaké systematické problémy s poklesem kapacit. Když budeme vycházet z dat, která například publikuje o svých vozech automobilka Tesla, tak by k nějakému závratnému poklesu většímu, než deklarují výrobci elektromobilů, docházet nemělo.
V jakých procentuálních rozsazích by se ideálně mělo pohybovat nabíjení elektromobilu s ohledem na životnost baterie jako takové?
Obecně platí doporučení, že optimální rozsah, aby si uživatel zajistil co největší životnost baterie, je 20 až 80 procent. Samozřejmě, pokud potřebuji cestovat na delší vzdálenost, mohu klidně nabít na 100 procent. V případě elektromobilů s články LFP (Lithno-železnatý fosfát) je pak citlivost na větší rozsah nabití menší.
To znamená, že tyto články lépe snesou nabíjení na vyšší procentuální hodnoty s ohledem na degradaci. A například Tesla v tomto případě doporučuje alespoň jednou za týden nabít na 100 procent. V jejich případě za účelem rekalibrace výpočtu stavu nabití baterie a přesnějšímu vybalancování článků.
Různé elektromobily mají u baterií horní nebo dolní buffer. Baterie tedy má větší nominální kapacitu než využitelnou.
Ano, je tomu tak. Tímto krokem výrobci zajišťují to, aby nedocházelo k vystavení akumulátoru limitním stavům, a byla tak zaručena jeho životnost i v případě náročného užívání. Z toho plyne, že 100 procent kapacity, kterou vidí uživatel, není reálných 100 procent z pohledu skutečné kapacity akumulátoru, ale o něco méně.
Co je pro baterii horší? Když je delší dobu nabitá na vysoká nebo nízká procenta?
Obecně je doporučováno, že baterie by neměla být nabita na 100 procent dlouhodobě, takže ideálně nabij a vyraž na cestu. Pokud přijedeš domů s nízkým stavem nabití a nedáš auto nabíjet hned, tak to tolik nevadí, pokud se nejedná o výrazně nízký stav nabití, v porovnání s případem, kdy necháš auto déle nabité na 100 procent.
Jakým nabíjecím výkonem bys doporučoval nabíjet elektromobil doma? A to s ohledem na životnost baterie. Je nějaká jednoduchá poučka, kterou bych se měl řídit?
Pro domácí nabíjení jsou používány poměrně malé výkony, takže články nejsou výrazně zatěžovány. Takže domácí nabíjení je vlastně optimální stav. Pro domácí nabíjení tak není třeba řešit, jak velký nabíjecí výkon použiji.
Takže i dlouhodobé nabíjení z 230V zásuvky proudem 12 A (výkon 2,7 kilowattu) jakkoliv velké baterii neubližuje z pohledu degradace?
Nabíjení velké baterie myšleno kupříkladu okolo 100 kilowatthodin bude při tomto použitém výkonu trvat poměrně dlouho, ale nízký nabíjecí výkon by na baterii negativní vliv obecně mít neměl. Problematické může být, kdybys pravidelně nabíjel baterii na 100 procent malým výkonem, který je ještě menší než zde uvedený. Každopádně nemyslím, že by to bylo něco, co by měl běžný zákazník řešit.
Jak nebezpečné s ohledem na životnost baterie je její nabíjení vysokým výkonem? Tesla například umožňuje u Modelu Y nabíjení výkonem až 250 kilowatt a třeba Hyundai Ioniq s 28kilowatthodinovou baterií umožňuje nabíjení 69 kilowatt.
Slovo nebezpečné mi přijde zavádějící, jelikož výrobci tento výkon umožňují a tím pádem se k jeho použití nevztahuje žádné nebezpečí. Samozřejmě nabíjení vysokým výkonem vede k zatížení článků, což urychluje jejich degradaci. Avšak toto urychlení by nemělo vést k tomu, že baterie degraduje rychleji, než je například definovaná záruka.
Pokud bych chtěl dosáhnout co nejvyšší životnosti, tak je lepší nabíjet menším výkonem a na rychlonabíjení zajet jen kupříkladu během cest na delší vzdálenost. Ale neznamená to, že když budu nabíjet často na rychlonabíjecí stanici, myšleno při využití maximálního nabíjecího výkonu vozidla, baterie rapidně zdegraduje.
Ostatně, během našich testů degradace u Hyundai Ioniq se nepotvrdil výrazný vliv rychlonabíjení na degradaci baterie. Ale to neznamená, že v případě jiného auta s ještě vyšším nabíjecím výkonem k poměru k baterii se degradace nemůže projevit výrazněji než v tom testovaném případě.
Jaký vliv na životnost baterie má stále více nasazované ultrarychlé nabíjení využívající napětí 800 voltů?
Opětovně platí to stejné, co pro nabíjení vysokým výkonem na rychlonabíjecích stanicích. Jen v tomto případě je pracovní napětí battery packů vyšší než obvyklých 400 V. Výhodou 800V technologie je, že k nabíjení stejným výkonem jako u 400V technologie není třeba vysokých proudů.
Recyklace baterií a další vývoj
Jak se díváš na recyklaci použitých baterií? Které materiály se dají z baterií znovuzískat a s jakou účinností?
Recyklace vysloužilých Li-ion baterií je zcela nezbytná, pokud chceme, aby bateriová technologie byla udržitelná. Olověné baterie jsou také recyklovány zcela běžně, a to s velmi vysokou účinností. V případě Li-ion baterií je recyklace složitější kvůli větší rozmanitosti používaných materiálů a kvůli větší složitosti samotné Li-ion baterie v porovnání s olověnou.
Li-ion baterie jsou dnes recyklovány také zcela běžně, avšak efektivita recyklace je v současnosti nižší, někde okolo 50 až 60 procent. Znamená to, že 50 až 60 procent hmotnosti baterie je získáno zpět pomocí recyklace. Do budoucna by se tato hodnota měla zvyšovat s nasazováním nových technologií recyklace, což budou nařizovat i nové evropské směrnice.
Teoreticky lze získat takřka všechny materiály používané v Li-ion baterii, jako je hliník, měď z obalu a proudových sběračů, či prvky používané v kladných elektrodách, jako je lithium, nikl, kobalt, mangan či železo, nebo grafit na záporné elektrodě. Do budoucna se tak dá předpokládat, že účinnost recyklace bude přes 70 procent a některé technologie by mohly dosahovat až 90procentní účinnosti.
Po kolika letech se očekává, že baterie elektromobilu bude vhodná k recyklaci?
To je dost individuální otázka, jelikož baterie bude recyklovaná až dojde k jejímu zastarání nebo zastarání zařízení, ve kterém je použita. Pokud se jedná o baterie z mobilních telefonů, tak ty jsou recyklovány společně s mobilním telefonem, případně dříve, pokud ji vymění v servisním centru.
V případě baterie elektromobilů záleží na tom, jak dlouho elektromobil bude používán. Takže můžeme počítat třeba 10 až 15 let, pakliže elektromobil někdo vrátí například výrobci při koupi nového vozu, nebo odveze na vrakoviště. Což však neznamená, že by baterie v daném vozidle měla být nějak výrazně degradovaná.
V některých případech pak může být baterie z elektromobilu využita například v úložišti energie a po skončení provozu v úložišti bude baterie následně recyklována.
Dá se vyjádřit energetická náročnost recyklace baterií?
Obecně recyklace materiálů je výrazně méně energeticky náročná než jejich těžba. Dle studie od Argonne National Laboratory by měla být potenciální úspora energie při recyklaci Li-ion baterií 82 procent v porovnání se získáváním materiálů z primárních zdrojů.
Jenom recyklace hliníku, který je v Li-ion bateriích hojně zastoupen jako materiál obalu či jako proudový sběrač na kladných elektrodách, je výrazně energeticky méně náročná než jeho získávání z primárních zdrojů. Při recyklaci hliníku tak dochází k přibližně 95procentní úspoře energie a 97procentní úspoře emisí CO2.
Jaká bateriová technologie je nyní tak říkajíc v plenkách, o které si myslíš, že nahradí stávající baterie používané v elektroautech?
Pozice Li-ion baterií je v současnosti zcela neotřesitelná, pokud chceme dosahovat vysokých hustot energie. Do budoucna se počítá s nasazením novějších materiálů pro Li-ion baterie a novějších technologií Li-ion baterií jako jsou Li-ion baterie s pevným elektrolytem. Ale na jejich masové nasazení ve velkém měřítku si ještě nějakou dobu, dle mého soudu, počkáme.
Relativně blízko k zavedení do výroby mají Na-ion baterie, které mohou pokrýt část aplikací, kde nejsou kladeny vysoké nároky na co nejvyšší hustotu energie, jako jsou stacionární úložiště či další aplikace, kde se dnes uplatňují Li-ion baterie s katodou na bázi LFP (Lithno-železnatý fosfát).
Další zajímavá technologie je pak technologie baterií Li-S s poměrně vysokou teoretickou gravimetrickou hustotou energie, případně její odnože využívající jiných prvků než lithia. Dále pak systémy založené na hořčíku či vápníku nebo baterie Lithium-vzduch.
Co je podle tebe třeba udělat, aby se ČR stala technologickou zemí v oblasti vývoje baterií, a to nejen baterií do elektromobilů, ale i baterií do stacionárních úložišť?
Podpořit vzdělávání,výzkum a vývoj v daných oblastech a také podpořit kvalitní firmy v daných oblastech působící, ať už stávající, tak nově vzniklé startupy. Samozřejmě by také pomohlo, pokud by zde působil nějaký velký výrobce, který by byl ochoten zapojit do vývoje nových baterií i lokální vědecko-výzkumné kapacity.
Ty jsi spoluautorem patentu Li-S baterií. V jaké fázi je výzkum? Dá se již mluvit o nasazení technologie do výroby?
V současnosti je patent spoluvlastněn VUT Brno a jednou gigafactory, která je připravovaná v Norsku. Patent by měl být v gigafactory dále rozvíjen v poloprovozním testování.
Co se týká samotného základního výzkumu v oblasti Li-S baterií, tak ten na VUT stále pokračuje. V nedávné době jsme také pomáhali s vývojem jednomu německému startupu, který se touto oblastí zabývá.
Dále se pak na univerzitě věnujeme výzkumu Li-ion baterií a Na-ion baterií, recyklaci a testování vlastností komerčních článků a jejich matematicko-fyzikálnímu modelování a simulacím.
Autor: Petr Beneš, elektromobilní nadšenec jezdící jen na baterky
Foto: Pixabay