Elektromobily, jejich baterie a jak nabíjet

Jedná se o nejdražší, nejdůležitější a zatím nejkontroverznější část celého elektromobilu. Odpůrci elektromobilů většinou uvádí právě baterie jako hlavní problém - kromě jejich vysoké ceny, zmiňují krátkou životnost, nutnost brzké výměny, nedostatečnou dojezdovou vzdálenost, a zátěž životního prostředí při jejich recyklaci.

Mnohé z výše uvedeného bylo kdysi pravda, ale dnes již zdaleka neplatí a v tomto článku se na všechny zmíněné oblasti zaměříme. Nejprve představíme, jak jsou baterie konstruovány, jaké jsou jejich nejdůležitější parametry, detailně se budeme věnovat právě jejich kapacitě, dojezdové vzdálenosti a životnosti ale také tomu, jak se o baterii starat a co se s ní stane až po 15 letech přestane sloužit svému původnímu účelu. A na závěr pro zvědavé uvedeme krátký přehled vývoje baterií pro elektromobily.

Elektromobil a jeho baterie. Autor: FirstEnergy Corp. (Licence CC BY-ND 2.0)

Konstrukce baterií

Baterie pro elektromobily se liší podle jednotlivých výrobců a každá automobilka vyrábí trochu jiné baterie, v nichž probíhá chemická reakce trochu jinak, ale v zásadě všechny jsou zkonstruované stejným způsobem z bateriových článků a modulů.

Evaluation of a Remanufacturing for Lithium Ion Batteries from Electric Cars.Zdroj: https://www.semanticscholar.org/

Baterie se skládají ze stovek (občas i tisíců) malých bateriových článků (na obrázku - battery cells), které jsou spojené buď v sériovém anebo paralelním zapojení, tak aby bylo dosaženo požadovaného napětí a proudu. Každý bateriový článek mívá napětí 3-4V. V současnosti se využívají tři typy: válcové, hranolové a pouzdrové, z nichž každý typ má své výhody a nevýhody.

Tesla využívá válcové články, jejich hlavní výhodou je vyspělost a vysoká optimalizace při výrobě. Jedná se také o nejlevnější variantu, která má zároveň nejvyšší účinnost. BMW a Volkswagen využívají hranolové články, které jsou skladnější, lépe se chladí a jejich výroba není nákladná, ale za to mají nízkou energetickou hustotu a problémy s počtem cyklů nabití a vybití. Nissan, Renault a Chevrolet používají pouzdrové baterie, které jsou nejflexibilnější co se týče návrhu jednotlivých modulů a kapacity, ale je potřeba pečlivě kontrolovat jak teplotu, tak tlak.

Bateriové články se skládají do bateriových modulů, které tvoří stavební bloky každé baterie. Důvodem tohoto uspořádání je snazší výroba, instalace, management, ale i údržba. V případě potřeby mohou být vyměněny jednotlivé moduly a v případě požáru toto uspořádání pomáhá snížit rychlost jeho rozšíření.

Bateriové moduly. Autor: Kevin Krejci (Lincence CC BY 2.0)

Bateriové moduly obsahují chladící jednotku, monitor teploty a většinou i monitor napětí, které odesílají informace do systému řízení baterie a ten se poté stará o udržení optimálního prostředí. Moduly také obsahují relé a další komponenty, které se starají o správnou distribuci elektrického proudu a napětí. Díky čemuž je možné dosáhnout toho, aby se všechny články nabíjely a vybíjely rovnoměrně, což se velmi pozitivně odráží na životnosti baterie elektromobilu.

Důležité parametry baterií

Výrobci baterií pro elektromobily musí uvést do rovnováhy mnoho důležitých požadavků. Jelikož se jedná o pojízdný automobil, je zcela zásadní váha a velikost baterie. Z tohoto důvodu se u baterií uvádí jejich měrná energie či hustota energie - jedná se o energii na jednotku hmotnosti, resp. objemu (uvádí se tedy wh/kg či wh/l).

Zpráva institutu Strom o Tesla baterii. Autor: Strom- Report (Licence CC BY-ND 2.0)

Výzkumný závod se koná směrem k baterii s co nejvyšší hustotou energie. Zatímco jedni se soustředí na hustotu energie jednotlivých bateriových jednotek, tak jiní se naopak soustřeďují spíše na hustotu celého modulu, kde vstupuje do hry také tvar bateriových jednotek a jejich uspořádání.

Dále je důležitý i počet cyklů nabití a vybití, během kterých si baterie elektromobilu dokáže zachovat své vlastnosti, která celkově udává životnost baterie. Obvykle baterie vydrží 1000 - 1500 cyklů, ale již se objevují baterie, které vydrží i 7000 nabití.

A v neposlední řadě je důležitá i cena, která zatím tvoří okolo 30% celkové ceny elektromobilu. Většinou se setkáváme s údajem cena na jednotku energie - tedy obvykle USD/kWh. V roce 2010 se ještě jednalo o 1100 USD/kWh, v roce 2019 to bylo již jen 156 USD/kWh. Očekávanou hranici 100 USD/kWh bychom mohli překročit v roce 2024. Jedná se o výsledek větší účinnosti baterií, vyšší energetickou hustotu a lepší automatizaci výrobních postupů. Právě od snižování ceny baterií se očekává, že se pořizovací investice do elektromobilu a vozu se spalovacím motorem již brzy vyrovná.

Kapacita a dojezdová vzdálenost

Na všech výše zmíněných vlastnostech závisí to nejdůležitější - kapacita baterie elektromobilu a tím pádem její dojezdová vzdálenost.

Na základě dostupné technologie udávající maximální měrnou energii jednotlivých typů baterií a v úsilí vyvážit co nejlépe hmotnost, cenu a dojezd, jsou dnes na trhu baterie od 16 kWh (Mitsubishi i MiEV) do 90 kWh (Tesla S).

Obecně se dá říct, že olověné baterie mají dojezdovou vzdálenost 30-80 km, niklové baterie až 200 km, a lithiové baterie 320-480 km. Rekuperační brzdění, které dokáže energii z brzdění převést zpět do baterie a poté využít, dokáže dojezd prodloužit o 10-15% v běžném městském provozu, a až o 50% v extrémních podmínkách.

Displej elektromobilu. Autor: Motor Verso. (Licence CC BY 2.0)

Dále pak dojezdová vzdálenost baterií závisí na mnoha různých faktorech je například počasí. Zatímco u vozů se spalovacím motorem je auto v zimě ohříváno díky teplu, které vytváří motor, u elektromobilů je potřeba na zahřátí obětovat část kapacity baterie elektromobilu. Při testování Tesly S dokázala zapnutá klimatizace snížit dojezd až o 96 kilometrů. Dále pak dojezdová vzdálenosti závisí na terénu, řidičových schopnostech, váze a typu vozidla - úplně stejným způsobem jako je tomu u vozů se spalovacím motorem. Pokud Vás zajímá srovnání nákladů na provoz elektrického vozu a vozu se spalovacím motorem, najdete jej zde.

Životnost baterie

Jedním z nejčastěji uváděných obav, které lidé chovají, je právě příliš brzká ztráta kapacity baterie a nutnost ji vyměnit. Zkušenosti většiny elektromobilistů ale prokázaly, že u baterií s vyspělými systémy řízení baterie, je tento strach neopodstatněný. Kromě BMS se na nabíjení podílí také palubní nabíječka a nabíjecí stanice, které spolu neustále komunikují, aby nabíjení baterii neohrozilo.

Nissan LEAF, který prodal více než 250 000 vozů mezi roky 2010 a 2016, musel vyměnit pouze 0,01% baterií kvůli vnitřním defektům a mnohé vozy najely více než 200 000 kilometrů a zachovaly si během té doby 90% kapacity baterie. Tesla Roadster si i po více než 160 000 kilometrech si zachovala mezi 80-85% kapacity a to bez ohledu na to v jakém klimatickém pásmu byly používány.

Zpravidla je u baterie elektromobilu vadných pouze pár článků, které je díky modulovému uspořádání možné snadno vyměnit a baterie pak může bezproblémově fungovat dál. U Modelu S Tesla nabízí záruku na dobu 8 let. Navíc se odhaduje, že lithiové baterie spolu se solárními panely mají životnost i více než 20 let.

Nissan LEAF. Autor: Jakob Härter. (Licence CC BY-SA 2.0)

Péče o baterii, její recyklace či druhý život

Kapacita a životnost baterie záleží nejen na typu baterie a chemické reakci, která v ní probíhá, ale také na chování řidiče a na péči o baterii. Lithiové baterie s hlubokým cyklem by se nikdy neměly vybíjet pod 20% jejich celkové kapacity. V případě novějších generací je možné je vybít o něco více, ale za žádných okolností by nemělo dojít k jejich totálnímu vybití.

V současnosti někteří výrobci část kapacity baterie 'uzamykají', čímž zajišťují, že nikdy k přílišnému vybití baterie nemůže dojít. Ford například začal u svých vozů uvádět tzv. použitelnou kapacitu baterie, aby tento fakt zohlednil.

Stejně tak je důležité, aby baterie byla dobíjena pomocí 'pomalých' AC stanic vždy, když je to možné. DC nabíjecí stanice nad 20 kW výkonu jsou určeny pro cestování na dlouhé vzdálenosti, ale jejich používání by se nemělo přehánět, pokud to je možné.

Jakmile baterie přestane být dostatečná pro provoz elektromobilu, přichází na řadu ještě další dvě možnosti, tzv. druhý život a recyklace.

Druhý život baterií. Autor: Daniel Lerps (Licence CC BY-ND 2.0)

V případě, že už baterie není vhodná k provozu elektromobilu, je možnost dát jí druhý život, který nevyžaduje tak vysokou kapacitu. Nejčastěji jsou baterie používány jako stacionární bateriové úložiště energie. Při využívání energie z obnovitelných zdrojů, hlavním problémem je rozdíl mezi tím, kdy může být elektřina vyráběna a kdy je konzumována a nedostatečné možnosti jejího uskladňování a právě s tímto mohou baterie z elektromobilů pomoci. Místo toho, aby se staly zátěží pro životní prostředí, tak naopak umožní zvýšení podílu energie z obnovitelných zdrojů.

Recyklace je posledním stupněm, kde je cílem získat zpět maximální možné množství použitého materiálu za využití co nejmenšího množství energie. Směrnice EU uvaluje na výrobce povinnost baterie aktivně sbírat a na své náklady recyklovat. Nejobtížnější část je recyklace přímo bateriových článků a separace kovů, které se používají k dané chemické reakci. Nicméně i tak je třeba u kobaltu je možné dosáhnout až 85% účinnosti.

Jaký byl vývoj baterií? A jejich budoucnost?

A na závěr pro zvědavé, jak jsme přišli k současným bateriím a jakým směrem jde současný výzkum.

První elektromobily, které se objevily již na počátku 20. století, používaly ke svému pohonu olověné baterie. Jednalo se o snadno dostupné a především levné baterie, jejichž výzkum byl už v té době již značně pokročilý. Mezi hlavní nevýhody olověných baterií patří to, že by se nikdy neměly vybít pod 50% a že je potřeba pravidelná kontrola elektrolytu. Zároveň jsou poměrně těžké a tvořily 25-50% celkové hmotnosti elektromobilu. Životnost olověných baterií byla přibližně tři roky.

Stejně jako i ostatní baterie má i olověná baterie nízkou měrnou energii ve srovnání s benzínem či jinými fosilními palivy. V tomto případě 30-50 Wh/kg. Její běžná účinnost je 70-75% a v případě chladného počasí se ještě dále snižuje až o 40%.

Henney Kilowatt. 1962-1964. Autor: Alden Jewell (Licence CC BY 2.0)

Později se objevily nikl-metal hydridové baterie, které mají lepší měrnou energii než olověné baterie a navíc se ukázalo, že mají i velmi dlouhou životnost. Baterie umístěné do prvních hybridních vozů Toyota RAV4 je stále funkční po více než 160 000 kilometrech a více než 10 letech. Obavy, které tak citují někteří odpůrci elektrických vozů, totiž že baterie dlouho nevydrží a bude potřeba ji měnit, nebyly pravdou již pro minulou generaci baterií. Nevýhodou nicméně byla malá účinnost, vysoká míra samovybíjení a špatné vlastnosti za studeného počasí.

Poté se objevily baterie nazývané Zebra. K jejich používání bylo potřeba elektrolyt zahřát na 270°C a tím pádem, pro ně chladné počasí přestalo být problémem. Pouze se zvýšily náklady na úvodní zahřátí. Navíc nebyly toxické a měly vyšší měrnou energii - až 120 Wh/kg. Ale za to její výkon byl velmi nízký <300 W/kg a již samotná nutnost prvotního zahřátí představovala hazard a především představovala problém, jak udržet baterii nabitou.

Elektromobil Volta 1963. Autor: Alden Jewell (Licence CC BY 2.0)

V roce 1979 pak byla poprvé představena Lithiová baterie, která je dodnes jednou z nejoblíbenějších a používá se prakticky všude. Problémy prvního prototypu byly především citlivost na teplotu, jejich deformace při vysoké teplotě, nízká výkonnost při nízkých teplotách a brzká degradace.

Nová generace lithiových baterií obětovala něco ze své měrné energie a měrné síly ve prospěch delší životnosti, ochrany životního prostředí, snížení nebezpečí vzniku požáru a zvýšení rychlosti nabíjení. Díky tomu je možné je nabít i během pár minut. Lithium-fosfátové baterie vydrží i více než 10 let a více 7000 nabíjecích cyklů.

Do budoucna se uvažují v současné době dvě hlavní varianty. První z nich je zachování lithiových baterií, ale vyměnit v nich grafit za křemík. Díky tomu by se výrazně zvýšila měrná energie a hustota energie. Problém představuje pouze velká změna mezi objemem nabité a vybité energie.

Druhou možností, která vzbuzuje velký zájem jsou baterie v pevném stavu, které nevyužívají elektrolytu, a tudíž přepážka mezi jednotlivými částmi katody a anody již nikdy nebude působit problém. Bude se tím pádem jednat o bezpečnější baterie, které budou mít navíc mnohem delší životnost. Odhadovaný čas představení této technologie je do pěti let a komerční výroba do deseti let.