Věděli jste, proč vůbec degradují lithium-iontové baterie u elektromobilů?
- Pojďme se podívat na to, jak vlastně funguje lithium-iontová baterie
- Lidstvo tento typ baterií používá téměř ve všech chytrých zařízeních
- Věděli jste ovšem, co přesně způsobuje degradaci a jak se baterka chová?
Co je to a jak funguje lithium-iontová baterie?
Lithium-iontové baterie jsou dobíjecí baterie, používané v různých přenosných elektronických zařízeních, včetně telefonů, notebooků a elektrických vozidel. Zejména u elektrických automobilů je životnost baterií zásadní, protože porovnávání parametrů elektromobilu s konvenčními spalovacími automobily hraje u zákazníků významnou roli při výběru budoucího pohonu automobilu. Je velmi důležité, aby životnost baterie elektromobilu byla přinejmenším srovnatelná s životností samotného vozidla, a proto se mnoho výrobců baterií věnuje problematice zpomalení degradace baterií.
Co se děje v lithium-iontové baterii?
Majitelé chytrých telefonů a přenosných počítačů vědí, že v průběhu času jednotlivé přístroje vyžadují častější nabíjení, protože jejich baterie stárnou a degradují. Málokdo ale ví, jak lithium-iontové baterie pracují a co přesně je důvodem jejich degradace.
Jak již název napovídá, lithium-iontové baterie fungují na základě pohybu lithiových iontů. Během nabíjení a vybíjení baterie se lithiové ionty pohybují elektrolytem mezi dvěma elektrodami – katodou a anodou. Katoda je tvořena vrstveným materiálem bohatým na lithium. Anoda je také z vrstveného materiálu, který přijímá ionty lithia z katody a obvykle jí v bateriích tvoří grafit. Lithiové ionty se pohybují od jedné elektrody k druhé prostřednictvím vodivého média známého jako elektrolyt.
Když se lithiová baterie nabíjí, ionty lithia uložené v katodě se pohybují elektrolytem a vstupují do anody. Současně produkují energii pro napájení elektronického zařízení. Naopak, při používání zařízení, které je napájeno lithiovou baterií, se baterie vybíjí a ionty lithia se přesouvají z anody přes elektrolyt, aby se vrátily na katodu. Kapacita lithiové baterie udává maximální množství energie, které může být tímto neustálým přesouváním získáno.
Výroba současných Li-Ion baterií ve spolupráci s Panasonicem | foto: Tesla
Čtěte také: Co je to elektromobil, jak funguje a jaké jsou typy nabíjení?
Dobíjecí cykly a životnost
Jeden cyklus nabíjení baterie znamená její úplné vybití na 0 % a následné nabití na 100 %. K dosažení jednoho celého cyklu není ale třeba baterii vybíjet naprosto do nuly. Například vybití baterie na 50 % a její opětovné nabití do sta procent znamená dosažení jedné poloviny cyklu. Čím více cyklů baterie absolvuje, k tím větší degradaci dochází, čímž se snižuje životnost.
Proč se tak děje, vychází z chemického složení lithiových baterií, protože v nich dochází k řadě chemických mechanismů, kterými baterie degradují. Jedním z příkladů je ztráta mobilních lithiových iontů. Ke ztrátám dochází vzhledem k vedlejším reakcím, ke kterým dochází s elektrolytem za vzniku sloučenin, které volné lithium zachycují a tím se snižuje počet iontů, které se mohou pohybovat mezi elektrodami. Ztráta mobilních iontů snižuje maximální kapacitu, kterou měla baterie na začátku.
Ke zkrácení životnosti baterie také dochází při poškození elektrod strukturálními poruchami. K těm může dojít při cyklování v důsledku neustálého pohybu iontů lithia jedním a druhým směrem z elektrod. Tak může dojít ke snížení množství lithia, které může elektroda přijmout do své struktury, a tak se vyčerpává kapacita lithiové baterie.
Omyly ohledně teploty a životnosti baterie
Běžnou mýlkou je, že nízké teploty zkracují životnost lithiových baterií. Vyplývá to ze zjištění, že smartphony umírají rychleji při nízkých teplotách, ale ve skutečnosti to nemá žádný škodlivý vliv na celkovou životnost baterie. Chladné teploty v zásadě způsobují, že k převádění iontů lithia mezi elektrodami dochází pomaleji.
Věděli jste, že Panasonic vyrábí baterie pro Teslu?
Znamená to, že při používání chytrého telefonu v chladu je proud, který lithiová baterie produkuje, tak nízký, že nedokáže držet krok s požadavky telefonu a ten se náhle vypne. Když se baterie nakonec zahřeje na provozní teplotu, funguje normálně bez trvalého poškození a to umožňuje běžné používání telefonu.
Na životnost lithiových baterií ale mají vliv vysoké teploty. Důvodem je, že elektrolyt nacházející se mezi elektrodami se při zvýšených teplotách rozpadá, a to způsobuje, že baterie ztrácí prostor pro pohyb lithiových iontů.
Co je přebíjení a udržovací nabíjení?
Přebíjení se týká stavu, kdy se snažíme tlačit proud do baterie, která je plně nabitá. To může způsobit její přehřátí a potenciální vznícení. Důvodem, proč můžeme nechat telefon nebo notebook, ale i například elektromobil připojený i přes plné nabití, je to, že výrobci baterií zavedli ochranná opatření, která zabraňují přebíjení lithiových baterií. Baterie přestane v okamžiku nabití na 100 % odebírat proud nabíječky díky systému správy baterie a ochranným čipům, které jsou tak naprogramovány.
Navzdory preventivním opatřením proti přebíjení, ponechání zařízení přes noc na nabíječce poškozuje životnost baterie, a to v důsledku jevu známého jako udržovací nabíjení. Udržovací nabíjení se týká procesu, při kterém se baterie průběžně dobíjí až na 100 % pokaždé, kdy v zařízení dojde k nevyhnutelným ztrátám energie. Neustálé dobíjení mezi 100 % a hodnotami těsně pod plným nabitím může zvýšit vnitřní teplotu lithiové baterie, čímž dojde ke snižování její kapacity a také životnosti.
Strukturální baterie využívající články Tesla 4680
Čtěte také: Historie elektromobilů může být až překvapivě zajímavá! Znáte skutečnou pravdu?
Li-ion baterie jsou odsouzeny k degradaci
To je důsledkem základního chemického složení baterie, které vede k neustálým chemickým reakcím, probíhajícím uvnitř baterie. Tyto reakce brání baterii v udržování plné kapacity po celou dobu její životnosti a jejich eliminace je složitá a náročná. Výrobci baterií usilují o prodloužení životnosti pomocí řady metod.
Příklady technik vylepšení baterií zahrnují strukturální vyztužení elektrodových materiálů kationtových dopingem, kdy se kationty přidávají během syntézy elektrod k stabilizaci materiálu nebo například zavedením aditiva do elektrolytu.
Neustálý vývoj a výzkum lithiových baterií je velmi důležitý, protože poptávka po elektrických automobilech, poháněných lithium-iontovými bateriemi, roste velmi strmě. Je důležité, aby delší životnost baterií zajistila elektrickým automobilům podobnou životnost, jak tomu je u spalovacích konkurentů.
Související
Nepřehlédněte
Diskuze
Nejčtenější články
Věděli jste, proč vůbec degradují lithium-iontové baterie u elektromobilů?
- Pojďme se podívat na to, jak vlastně funguje lithium-iontová baterie
- Lidstvo tento typ baterií používá téměř ve všech chytrých zařízeních
- Věděli jste ovšem, co přesně způsobuje degradaci a jak se baterka chová?
Co je to a jak funguje lithium-iontová baterie?
Lithium-iontové baterie jsou dobíjecí baterie, používané v různých přenosných elektronických zařízeních, včetně telefonů, notebooků a elektrických vozidel. Zejména u elektrických automobilů je životnost baterií zásadní, protože porovnávání parametrů elektromobilu s konvenčními spalovacími automobily hraje u zákazníků významnou roli při výběru budoucího pohonu automobilu. Je velmi důležité, aby životnost baterie elektromobilu byla přinejmenším srovnatelná s životností samotného vozidla, a proto se mnoho výrobců baterií věnuje problematice zpomalení degradace baterií.
Co se děje v lithium-iontové baterii?
Majitelé chytrých telefonů a přenosných počítačů vědí, že v průběhu času jednotlivé přístroje vyžadují častější nabíjení, protože jejich baterie stárnou a degradují. Málokdo ale ví, jak lithium-iontové baterie pracují a co přesně je důvodem jejich degradace.
Jak již název napovídá, lithium-iontové baterie fungují na základě pohybu lithiových iontů. Během nabíjení a vybíjení baterie se lithiové ionty pohybují elektrolytem mezi dvěma elektrodami – katodou a anodou. Katoda je tvořena vrstveným materiálem bohatým na lithium. Anoda je také z vrstveného materiálu, který přijímá ionty lithia z katody a obvykle jí v bateriích tvoří grafit. Lithiové ionty se pohybují od jedné elektrody k druhé prostřednictvím vodivého média známého jako elektrolyt.
Když se lithiová baterie nabíjí, ionty lithia uložené v katodě se pohybují elektrolytem a vstupují do anody. Současně produkují energii pro napájení elektronického zařízení. Naopak, při používání zařízení, které je napájeno lithiovou baterií, se baterie vybíjí a ionty lithia se přesouvají z anody přes elektrolyt, aby se vrátily na katodu. Kapacita lithiové baterie udává maximální množství energie, které může být tímto neustálým přesouváním získáno.
Výroba současných Li-Ion baterií ve spolupráci s Panasonicem | foto: Tesla
Čtěte také: Co je to elektromobil, jak funguje a jaké jsou typy nabíjení?
Dobíjecí cykly a životnost
Jeden cyklus nabíjení baterie znamená její úplné vybití na 0 % a následné nabití na 100 %. K dosažení jednoho celého cyklu není ale třeba baterii vybíjet naprosto do nuly. Například vybití baterie na 50 % a její opětovné nabití do sta procent znamená dosažení jedné poloviny cyklu. Čím více cyklů baterie absolvuje, k tím větší degradaci dochází, čímž se snižuje životnost.
Proč se tak děje, vychází z chemického složení lithiových baterií, protože v nich dochází k řadě chemických mechanismů, kterými baterie degradují. Jedním z příkladů je ztráta mobilních lithiových iontů. Ke ztrátám dochází vzhledem k vedlejším reakcím, ke kterým dochází s elektrolytem za vzniku sloučenin, které volné lithium zachycují a tím se snižuje počet iontů, které se mohou pohybovat mezi elektrodami. Ztráta mobilních iontů snižuje maximální kapacitu, kterou měla baterie na začátku.
Ke zkrácení životnosti baterie také dochází při poškození elektrod strukturálními poruchami. K těm může dojít při cyklování v důsledku neustálého pohybu iontů lithia jedním a druhým směrem z elektrod. Tak může dojít ke snížení množství lithia, které může elektroda přijmout do své struktury, a tak se vyčerpává kapacita lithiové baterie.
Omyly ohledně teploty a životnosti baterie
Běžnou mýlkou je, že nízké teploty zkracují životnost lithiových baterií. Vyplývá to ze zjištění, že smartphony umírají rychleji při nízkých teplotách, ale ve skutečnosti to nemá žádný škodlivý vliv na celkovou životnost baterie. Chladné teploty v zásadě způsobují, že k převádění iontů lithia mezi elektrodami dochází pomaleji.
Věděli jste, že Panasonic vyrábí baterie pro Teslu?
Znamená to, že při používání chytrého telefonu v chladu je proud, který lithiová baterie produkuje, tak nízký, že nedokáže držet krok s požadavky telefonu a ten se náhle vypne. Když se baterie nakonec zahřeje na provozní teplotu, funguje normálně bez trvalého poškození a to umožňuje běžné používání telefonu.
Na životnost lithiových baterií ale mají vliv vysoké teploty. Důvodem je, že elektrolyt nacházející se mezi elektrodami se při zvýšených teplotách rozpadá, a to způsobuje, že baterie ztrácí prostor pro pohyb lithiových iontů.
Co je přebíjení a udržovací nabíjení?
Přebíjení se týká stavu, kdy se snažíme tlačit proud do baterie, která je plně nabitá. To může způsobit její přehřátí a potenciální vznícení. Důvodem, proč můžeme nechat telefon nebo notebook, ale i například elektromobil připojený i přes plné nabití, je to, že výrobci baterií zavedli ochranná opatření, která zabraňují přebíjení lithiových baterií. Baterie přestane v okamžiku nabití na 100 % odebírat proud nabíječky díky systému správy baterie a ochranným čipům, které jsou tak naprogramovány.
Navzdory preventivním opatřením proti přebíjení, ponechání zařízení přes noc na nabíječce poškozuje životnost baterie, a to v důsledku jevu známého jako udržovací nabíjení. Udržovací nabíjení se týká procesu, při kterém se baterie průběžně dobíjí až na 100 % pokaždé, kdy v zařízení dojde k nevyhnutelným ztrátám energie. Neustálé dobíjení mezi 100 % a hodnotami těsně pod plným nabitím může zvýšit vnitřní teplotu lithiové baterie, čímž dojde ke snižování její kapacity a také životnosti.
Strukturální baterie využívající články Tesla 4680
Čtěte také: Historie elektromobilů může být až překvapivě zajímavá! Znáte skutečnou pravdu?
Li-ion baterie jsou odsouzeny k degradaci
To je důsledkem základního chemického složení baterie, které vede k neustálým chemickým reakcím, probíhajícím uvnitř baterie. Tyto reakce brání baterii v udržování plné kapacity po celou dobu její životnosti a jejich eliminace je složitá a náročná. Výrobci baterií usilují o prodloužení životnosti pomocí řady metod.
Příklady technik vylepšení baterií zahrnují strukturální vyztužení elektrodových materiálů kationtových dopingem, kdy se kationty přidávají během syntézy elektrod k stabilizaci materiálu nebo například zavedením aditiva do elektrolytu.
Neustálý vývoj a výzkum lithiových baterií je velmi důležitý, protože poptávka po elektrických automobilech, poháněných lithium-iontovými bateriemi, roste velmi strmě. Je důležité, aby delší životnost baterií zajistila elektrickým automobilům podobnou životnost, jak tomu je u spalovacích konkurentů.
