Obavy o životnost baterie elektromobilu jsou zbytečné
Snad největší překážkou přijmutí elektromobility veřejností je obava z životnosti vysokonapěťové baterie.
- Je důvod k obavám?
- Trpí baterie elektromobilu v našich geografických podmínkách?
- Jak se nejlépe chovat k baterii s ohledem na její životnost?
- Jak je to s recyklací bateriových článků?
Na tyto a další otázky odpoví Tomáš Kazda, uznávaný odborník na problematiku baterií. V rámci svého působení na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno se věnuje výzkumu a vývoji materiálů pro baterie. 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 – 280 tisíc km. A výsledek? Kapacita baterií klesla v průměru o 4 %, což je nevýznamný pokles vzhledem k nájezdu i poskytované záruce.
Jaké jsou v současnosti nejpoužívanější baterie co se jejich složení týče?
V současnosti dle roční kapacity produkce to jsou Li-ion baterie, které v roce 2021 dorovnaly produkci a v současnosti překonaly produkci olověných baterií, které měly v předchozích letech takřka neotřesitelnou pozici. Ale rychlost růstu výroby Li-ion baterií postupně produkci olověných baterií dohnala a předehnala.
Pro příklad: dle jedné ze studií se v roce 2010 celosvětově vyrobilo 24 GWh Li-ion baterií a 302 GWh olověných baterií, v roce 2021 se pak celosvětově vyrobilo něco přes 400 GWh Li-ion baterií a stejně tak 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 GWh. Nárůst je obrovský.
Jak se chovat k baterii v elektromobilu?
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 1 kg nebo do 1 l, je nejvyšší. To je pro realizaci v elektromobilu s relevantním dojezdem zcela stěžejní. Zároveň je zaručena dostatečná 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.
Vysokonapěťová baterie elektromobilu Volvo XC40 s vyjmutým modulem
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, kvůli 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 kterou 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.
Obecně lze říct že limitní teplota dle technických listů je nejčastěji −20 °C. Avšak dle zkušeností z laboratoře víme, že kvalitně vytvořená baterie je schopna fungovat i při −30 °C 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).
V ČR začaly být elektromobily více používané před cca 5–6 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 zkušenosti 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 závratně většímu poklesu, 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 20–80 %. Samozřejmě pokud potřebuji cestovat na delší vzdálenost, mohu klidně nabít na 100 %. 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 %. V jejich případě za účelem rekalibrace výpočtu stavu nabití baterie a přesnějšímu vybalancování článků.
Různé elektromobily mají horní nebo dolní buffer u baterií, 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 % kapacity, kterou vidí uživatel, není reálných 100 % z pohledu skutečné kapacity akumulátoru, ale je to o něco méně.
Uložení bateriových modulů v podlaze elektromobilu Hyundai Kona Electric
Co je pro baterii horší – když je delší dobu nechaná nabitá na vysoká nebo nízká procenta?
Co se týče těch stavů nabití, tak je obecně doporučováno, že by baterie neměla být nabita na 100 % dlouhodobě, takže ideálně nabij a vyraz 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 %.
Jakým nabíjecím výkonem bys doporučoval nabíjet elektromobil doma 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. 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 kW) jakkoliv velké baterii neubližuje z pohledu degradace?
Nabíjení velké baterie, myšleno kupříkladu okolo 100 kWh, bude při tomto použitém výkonu trvat poměrně dlouho, ale nízký nabíjecí výkon by na baterii negativní vliv obecně mít neměl. Problematické může být to, kdybys pravidelně nabíjel baterii na 100 % malým výkonem, který je ještě menší, než zde uvedený. Každopádně nemyslím že by to bylo něco, co by měl běžný zákazník řešit.
Jak nebezpečné je nabíjení vysokým výkonem s ohledem na životnost baterie? Tesla umožňuje u Modelu Y nabíjení výkonem až 250 kW, Hyundai Ioniq s 28kWh baterií umožňuje nabíjení 69 kW.
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 menší 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), že 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 v 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 V?
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 znovu získat 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 50–60 %. Znamená to, že 50–60 % 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 % a některé technologie by mohly dosahovat až 90% 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 bude elektromobil používán. Takže můžeme počítat třeba 10–15 let, pakliže elektromobil někdo vrátí například výrobci při koupi nového vozu, nebo jej 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 např. v úložišti energie a po skončení provozu v úložišti bude tato baterie následně recyklována.
Cyklovač baterií v laboratoři FEKT VUT Brno
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 potencionální úspora energie při recyklaci Li-ion baterií 82 % 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 95% úspoře energie a 97% úspoře emisí CO2.
Která bateriová technologie je nyní tak říkajíc v plenkách a ty 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 mnohou 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 (Lithium síra) 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, výzkumu a vývoj v daných oblastech a také podpořit kvalitní firmy v daných oblastech působící, ať už stávající nebo nově vzniklé start-upy. 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.
Rukavicový box sloužící na FEKT VUT Brno k sestavování elektrochemických testovacích cel, k práci v inertní atmosféře s materiály citlivými na vlhkost a kyslík
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 v Norsku (která je prozatím v přípravné fázi). 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 nedávně 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.
Děkuji za detailní informace ohledně baterií. Tvoje slova si vykládám tak, že v současné době se nemusím obávat o životnost vysokonapěťové baterie elektromobilu. Zároveň jsem rád, že vývoj v oblasti uchovávání energie jde neustále kupředu. Sám vidím akumulaci energie jako nedílnou součást transformace energetiky, kde se klade důraz na obnovitelné zdroje.
Petr Beneš, elektromobilní nadšenec jezdící jen na baterky
