Není Li-Ion jako Li-Ion: co má společného baterka v telefonu a elektromobilu?

Ukládání elektrické energie je v posledních letech větším tématem než kdykoli předtím. Jde sice o záležitost, kterou lidstvo řeší už více než století, ale právě v poslední době nutnost výrazného technologického skoku v ukládání elektrické energie přinesly dvě záležitosti. Tou první je snaha o elektromobilitu, tedy nutnost uložit obrovské množství elektřiny v co nejmenší a co nejlehčí baterii v prostorově omezeném autě. Pokud jde o EV, tak první EV byla zkonstruována už v roce 1828 a 1834, první produkční EV pak v roce 1884, ale právě nedostatečné technologie pro ukládání energie byly dlouhá léta nepřekonatelným problémem. Druhou je snaha o přechod na obnovitelné zdroje, které jsou ale většinou nestabilní, takže potřebují vyrovnávací baterie (uložit energii, když vyrábí více energie, než je potřeba, a naopak).

 

 

Existuje mnoho způsobů, jak toto provést, od setrvačníků přes stlačený vzduch, přečerpávací elektrárny, tavené soli, vodík, čpavek, redox-flow baterie až po klasické akumulátory (resp. akumulátorové baterie) a jistě jsme vynechali desítky dalších způsobů. Pokud jde o klasické akumulátory tak, jak si je představujeme, vybaví se nám asi zejména ty lithiové. A právě na ně se dnes zaměříme.

 

 

Něco podobného jste už v diskuzích jistě nejednou četli. My se podíváme na to, zda se opravdu dají vztahovat zkušenosti z telefonů a elektroniky obecně na elektromobilitu, nebo je to úplný nesmysl. V první kapitole se podíváme na trochu historie, vysvětlíme si pár základních pojmů, v druhé si představíme si nejčastější typy lithiových akumulátorů Li-Ion. Jsou opravdu všechny stejné? Liší se jejich vlastnosti v řádu jednotek, maximálně nízkých desítek procent? Dále se podíváme na to, co chystá blízká budoucnost a v poslední kapitole si pak na základě těchto informací zkusíme vyvodit nějaké závěry o tom, jak to vlastně asi je.

 

 

 

Akumulátor je zařízení na uchování elektrické energie na bázi elektrochemické reakce. Má dvě elektrody, katodu a anodu. Mezi nimi je separátor, který je obě odděluje, a elektrolyt (zpravidla tekutý, ale může být i gelový nebo pevný), který slouží k přenosu iontů z jedné strany na druhou. V případě lithiových akumulátorů to jsou tedy lithiové ionty. Když akumulátor nabíjíte, katoda přijímá elektrony a lithiové ionty míří od katody k anodě, kde se uloží. Jakmile energii potřebujete, do elektrického obvodu se uvolní elektron, který chceme získat a pohánět ním naše elektrické zařízení, kladný lithiový iont jde zpět od anody ke katodě.

 

 

Abychom trochu rozuměli údajům ohledně akumulátorů, bude potřeba ještě trochu zabrousit do fyziky. Nebojte, nezabrousíme příliš hluboko, je však potřeba si vysvětlit některé základy, ve kterých mají guláš dokonce i firmy, které akumulátory prodávají. Často v nich dělají chyby třeba firmy montující soláry, tak jak pak má mít zákazník důvěru ve firmu, která ani nerozumí tomu, jaký je rozdíl mezi wattem a watthodinou? U akumulátorů se zpravidla setkáte se třemi údaji, napětím v voltech (V), kapacitou v ampérhodinách (Ah) a množstvím energie, které může baterie uchovat, ta je ve watthodinách (Wh). Mnozí Wh označují za kapacitu, to ale není fyzikálně přesné. Problémem je, že toto množství energie se v angličtině nazývá "capacity", což je patrně důvodem, proč se takto špatně překládá do češtiny.

 

To, kolik energie akumulátor uchová, je dáno součinem napětí a kapacity. Takže takový akumulátor pro fotoaparát s napětím 3,6 V a kapacitou 1 Ah (na baterii bude patrně v jednotkách mAh, tedy 1000 mAh) může uchovat 3,6V × 1Ah = 3,6 Wh energie. Pokud chcete více energie, máte dvě možnosti. Zvýšit napětí a/nebo kapacitu. Např. u telefonů je obvykle jeden článek, takže tam vždy zůstává stejné napětí (3,6 nebo 3,7 V) a zvyšuje se kapacita. Stačí se tedy podívat na číslo s mAh a s téměř jistotou dokážete srovnat dva různé akumulátory. 5000mAh akumulátor tak obvykle uloží 2krát tolik energie jako 2500mAh akumulátor, protože snad ve všech případech mají v podstatě stejné napětí.

 

Nicméně např. u fotoaparátů už to tak jednoduché být nemusí a tam mohou být v jednom akumulátoru dva články (např. dva články s 3,6 V a 1 Ah). Ty svým zapojením ale zvýší napětí a nikoli kapacitu. Výsledkem tak bude akumulátor s napětím 7,2 V a stále stejnou kapacitou 1 Ah. Vidíme však, že skutečně uloží 2násobné množství energie, 7,2V × 1Ah = 7,2 Wh.

 

A pak tu máme watty (W) a watthodiny (Wh). S tímto se zpravidla setkáte u nabíjení. Máte-li třeba 10Wh akumulátor, tak ten s nabíjecím výkonem 5 W budete nabíjet 2 hodiny. Proč? Máte-li výkon 5 W, tak za 1 hodinu nabijete 5W × 1h = 5 Wh. Budete-li nabíjet dvakrát déle, už selským rozumem byste měli nabít dvakrát tolik (i z toho se dá odvodit vzoreček). 5W × 2h = 10 Wh. Nebo můžete dvakrát zrychlit nabíjení a z 5 W ho zvýšit na 10 W. Pak už za hodinu nabijete 10W × 1h = stejných 10 Wh.

 

S rychlostí nabíjení souvisí ještě jeden parametr, rychlost vybíjení a nabíjení. Hodnoty C nám říkají to, kolik akumulátorů bychom touto rychlostí nabili za hodinu. 0,5C tedy znamená, že bychom nabili polovinu akumulátoru, na nabití celého akumulátoru bychom potřebovali 2 hodiny. Pokud akumulátor podporuje 1 C, což pro většinu lithiových akumulátorů platí, dá se nabít za hodinu. Vysokorychlostní nabíjení např. 10C znamená, že bychom nabili 10 akumulátorů za hodinu, jinak řečeno, na jeden akumulátor potřebujeme 1/10 hodiny, tedy 6 minut.

 

Ono to není tak jednoduché, nabíjení se u vyšších stavů nabíjení hodně zpomaluje, ale pro základní představu nám to stačí. Nejprve se totiž nabíjí konstantním proudem a napětí roste, pak se naopak udržuje napětí a nabíjecí proud klesá. Ještě je dobré poznamenat, že čím rychlejší je vybíjení, tím menší kapacitu pak článek má. Zatímco pomalu vybíjený článek dá např. 100 Wh, u rychle vybíjeného to může být třeba jen cca 80 Wh (snižuje se jeho kapacita, což lze vidět např. v dokumentaci k článkům - takový Panasonic NCR18650B z Tesel má 3250 mAh při odběru 0,2 A, ale asi jen 3050 mAh při 5 A).

 

A ještě jedna věc. Nabíjecí cyklus. Nabíjecím cyklem se rozumí vybití a nabití 100 % baterky, ne připojení k nabíječce. Logicky, kdyby bylo nabíjecím cyklem každé zahájení nabíjení, pak by jen Vaše cesta do práce elektromobilem znamenala desítky, ne-li stovky cyklů, protože každé sešlápnutí pedálu plynu by znamenalo zahájení vybíjení baterie, a každé šlápnutí na brzdový pedál by bylo zahájením nabíjení díky rekuperaci. Jedním cyklem je jedno nabití 0-100 %, stejně jako jím je 10 nabití po 10 % třeba v rozsahu 70-80 %. Faktem nicméně je, že rychlost nabíjení a nabíjení kolem stavu úplného nabití a úplného vybití bateriím nesvědčí a omezují pak životnost. Takže není ani cyklus jako cyklus.

 

 

 

Ukládání elektrické energie známe už z 19. století, kdy se objevily olověné akumulátory, které přes všechny své neduhy přežily do dnešních dnů a setkáme se s nimi např. v autech pro startování. Na přelomu 19. a 20. století byly vynalezeny nikl-kadmiové akumulátory (NiCd), které jsou v EU od roku 2006 zakázány z ekologických důvodů (kadmium). Jejich nevýhodou byl např. paměťový efekt, kdy neměly rády, pokud se plně nevybily, a stávalo-li se to častěji, výrazně se omezila jejich kapacita. Tyto akumulátory měly obvykle energetickou hustotu někde okolo 30-80 Wh/kg a 50-150 Wh/l. Na počátku 90. let se objevily dvě revoluční technologie, NiMH (nikl-metal hydrid) a Li-Ion (lithium-iontová baterie). NiMH si udržely stejné napětí 1,2 V, takže to, co fungovalo s NiCd, mohlo fungovat i s NiMH. Na druhou stranu zdvojnásobily hustoty na cca 55-120 Wh/kg a 100-300 Wh/l.

 

 

Samotný vývoj lithiových článků Li-Ion ale začal už v 70. letech a o prvním článku (LCO - LiCoO₂) se psalo v roce 1980. Rok 1985 přinesl grafitovou anodu a rok 1991 první komerčně dostupný článek Li-Ion od Sony. Ten měl hustotu jen 80 Wh/kg a asi 200 Wh/l. V roce 1996 byl představen článek LFP (LiFePO₄) s velmi vysokou životností a přelom tisíciletí přinesl i články LMO (LiMn₂O₄), NMC (LiNiMnCoO₂), LTO (Li₄Ti₅O₁₂) a NCA (LiNiCoAlO₂). Všechno toto jsou lithiové články, které můžeme označit jako Li-Ion. Přesto každý z nich má jiné chemické složení a odlišné vlastnosti (navíc se mohou kombinovat a některá označení hovoří o katodě, jiná o anodě). Jak moc odlišné ale jsou? Na to nám odpoví další kapitola.

 

 

Než se do ní ale pustíme, ještě to chce vysvětlit jednu záležitost. Vývoj akumulátoru je běh na dlouhou trať a od prvotní myšlenky do používání těchto baterií v reálných produktech to trvá mnohdy i více než 10-15 let. Tabulka výše ukazuje, že je vždy potřeba dávat si pozor na to, o čem vlastně mluvíme, a proč se pořád zdá, že se pořád o těch "revolučních" akumulátorech mluví, ale nejsou na trhu.

 

Přinášíme-li aktuality o nových akumulátorech, které mají nějakou zajímavou vlastnost (vysokou hustotu, výdrž,...), zpravidla jde o fáze TRL-2 až TRL-4, tedy úplný začátek celého procesu a pokud se dnes v roce 2023 objeví nějaký vědecký článek prezentující novou metodu, takřka si můžete vsadit na to, že to dříve než v roce 2030 na trhu neuvidíte (pokud vůbec). Mnohdy se totiž zjistí, že to, co fungovalo v laboratoři, už tak dobře nefunguje ve větším. Některé aktuality se už věnují i většímu testování u zákazníků, pilotní výrobě a podobně, to jsme na TRL-5 až TRL-6, příp. až TRL-7. Jak vidíte, do běžné výroby ještě pořád chybí několik kroků (je něco jiného ověřovací výroba v MWh a něco úplně jiného velkosériová výroba v GWh). V takovém případě ke spuštění výroby ve velkých sériích chybí obvykle 2-5 let.