Robimy krok wstecz. Zwykle zakładamy, że nasi Czytelnicy wiedzą, jakie rodzaje ogniw stosuje Tesla i czym one się od siebie różnią. Jednak grupa osób zainteresowanych samochodami kalifornijskiego producenta rośnie, dlatego postanowiliśmy szczegółowo opowiedzieć o różnych rodzajach ogniw, pokazać ich zalety i wady. Osoby znające zagadnienie odsyłamy do dwóch wykresów w drugiej części artykułu, są godne zainteresowania.
Baterie Tesli, różne rodzaje ogniw i… klucz do tej zagadki
Zacznijmy od najważniejszego: poniższa opowieść dotyczy Tesli, ale w rzeczywistości pasuje do całego rynku. Zawarta poniżej wiedza może być stosowana przy dowolnym producencie aut elektrycznych. Firma Muska jest o tyle ciekawym przykładem, że stosuje właściwie wszystkie liczące się chemie w jednym samochodzie, Tesli Model 3. I tak:
- ogniwa LFP, litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) produkowane przez CATL znajdziemy np. w Tesli Model 3 [SR+] „Made in China” (wersje E1xy) oraz prawdopodobnie Tesli Model Y SR,
- ogniwa NCA (z katodami nikiel-kobalt-glin) produkowane przez Panasonika są np. w Teslach Model 3 wytwarzanych w Stanach Zjednoczonych (wersje E3xy), Teslach Model Y, S, X ze Stanów Zjednoczonych,
- ogniwa NCM (nikiel-kobalt-mangan) produkowane przez LG Energy Solution znajdziemy np. w Teslach Model 3 Long Range i Performance wytwarzanych w Chinach (wersje E5xy) oraz prawdopodobnie Teslach Model Y LR/Performance z Giga Shanghai.
Sytuacja komplikuje się z kwartału na kwartał, ponieważ kalifornijski producent ogłosił, że ogniwa LFP pojawią się również w amerykańskich wariantach SR. Zanosi się wreszcie na to, że Tesla będzie pierwszym producentem stosującym ogniwa NCMA (nikiel-kobalt-mangan-glin) LG Energy Solution – ale to już informacje nieoficjalne.
Dziś, pod koniec listopada 2021 roku, w Europie możemy kupić wyłącznie wersję z ogniwami LFP (Model 3 RWD/SR+) lub NCM (Model 3 LR/Perf), ale do niedawna nie było jasne, czy samochód przypłynie z Kalifornii (ogniwa Panasonic), czy może z Chin (ogniwa LG Energy Solution lub CATL). Największe zamieszanie miało miejsce pod koniec 2020 roku, gdy fabryka w Fremont jeszcze dostarczała auta do Europy, a fabryka w Szanghaju już dostarczała do Europy – wtedy możliwe było odebranie niemal każdej konfiguracji oprócz LFP w LR/Perf i NCM w Modelu 3 SR+.
No dobrze, a czym te wszystkie ogniwa się od siebie różnią? Jakie są ich zalety i wady?
Ogniwa NCA
Ogniwa wykorzystujące glin zamiast manganu to oryginalny produkt firmy Panasonic. Stosowane są najdłużej, wydają się najbardziej dopracowane, co nie znaczy, że nie mają wad. Obsługują one najwyższe moce ładowania (zaleta), mają najwyższe gęstości energii (zaleta), ale wygląda na to, że najszybciej degradują (wada). Co więcej spadek pojemności wynika nie tylko z eksploatacji (cykle pracy), lecz również z powodu upływu czasu, szczególnie na początku.
Mamy wśród Czytelników właścicieli aut z bateriami na ogniwach NCA, na pewno będziemy ich podpytywać, jak się czują ich baterie.
Nie słyszeliśmy, żeby ogniwa NCA były stosowane przez jakiegokolwiek innego producenta oprócz Tesli. Pojawiają się natomiast zapowiedzi dotyczące ogniw NCMA (nikiel-kobalt-mangan-glin), które powinny łączyć lepszą wydajność katod glinowych z wolniejszą degradacją ogniw manganowych.

Krzywa ładowania Tesli Model 3 wyposażonych w baterie zbudowane w oparciu o ogniwa Panasonika (E3xy, pomarańczowy wykres) i LG Energy Solution (E5xy, szary wykres). Panasonic gwarantuje wyższe moce ładowania, a dzięki temu krótszy postój przy ładowarce
Ogniwa NCM
Ogniwa NCM to najpopularniejsze obecnie ogniwa litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych poza Chinami. Tesli dostarcza je LG Energy Solution (dawniej LG Chem), które produkuje też ogniwa dla Forda Mustanga Mach-E czy koncernu Volkswagena. Ich zaletą jest popularność i szerokość zastosowań oraz dobra wydajność. Z pierwszych pomiarów wynika, że degradują wolniej niż ogniwa NCA Panasonic.

Szybkość degradacji ogniw w zależności od zastosowanej chemii, skala od 100 do 80 procent. NCA wytrzymują z reguły około 500-800 cykli, dobrze traktowane NCM potrafią przebić 1 000, a nawet 2 000 cykli, LFP są w stanie dożyć 3 000 cykli i więcej, przy czym wymagają rozważnego balansowania (zwróć uwagę na skoki pojemności). UWAGA. Powyższy wykres obrazuje różne ogniwa, nie są to ogniwa wyciągnięte z baterii Tesli, więc nie należy przedstawionych powyżej liczb przenosić bezpośrednio na baterie, które stosuje kalifornijski producent – ważniejsze są raczej proporcje i możliwości.
Wady? Nie przyjmują takich ładunków, jak ogniwa NCA, a przynajmniej Tesla na to nie pozwala (patrz wykres w części poświęconej ogniwom NCA). Czyli ładują się nieco wolniej.
Ogniwa LFP
Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe to stosunkowo nowy gracz wśród zachodnich koncernów motoryzacyjnych, na razie korzysta z nich tylko Tesla. Ich najważniejszą zaletą jest to, że są tańsze i bezpieczniejsze niż ogniwa NCA/NCM (zaleta). Mają za to niższą gęstość energii (wada), więc w pojemniku baterii Tesli Model 3 nie zmieścimy takiej liczby ogniw LFP, żeby z samochodu zrobić wariant Long Range:
Mimo tych wad sam Elon Musk skłaniałby się lekko w kierunku baterii opartych na żelazie (LFP) niż niklu (NCx), bo można i trzeba regularnie ładować je do 100 procent (zaleta). Przy ogniwach bazujących na niklu rekomendowany jest przedział 20-80, maksymalnie 20-90 procent, co już samo w sobie ujmuje nam trochę pojemności.
/WAŻNE: rekomendowane cykle pracy nie oznaczają, że w razie potrzeby samochodu nie można naładować do pełna czy rozładować do zera. Samochód ma służyć nam, a nie odwrotnie, dlatego przedziały rekomendowane są zalecane/
To nie wszystko: ogniwa LFP dłużej i stabilniej oddają ładunek, tj. dłużej trzymają właściwe napięcie. Dzięki temu przy tej samej pojemności baterii ogniwa LFP powinny dać nam nieco większy zasięg niż ogniwa NCM, pod warunkiem, że pakiety mają optymalną temperaturę. Ogniwa zbudowane na bazie niklu i kobaltu ratuje jedynie niższa waga:
Niestety, sytuacja zmienia się dramatycznie, gdy spada temperatura otoczenia/baterii. Jedną z największych wad ogniw LFP wynikającą z ich struktury jest spadająca gwałtownie wydajność w niskich temperaturach (niebieskie słupki). Pierwsze jej oznaki zaznaczają się już przy 0 stopni Celsjusza, przy -20 stopniach baterie z trudem oddają jakikolwiek ładunek (źródło). W ciepłych krajach to żaden problem, w Polsce mogłoby być nieciekawie przez 1/4 roku, szczególnie o poranku:
Na szczęście producenci zaczęli sobie radzić z tym problemem. Stosują mechanizmy ogrzewania ogniw, które utrzymują baterię we względnie komfortowych warunkach (czerwone słupki, „TM” – bateria z systemem zarządzania temperaturą, dogrzewana). Oczywiście, zimą spowoduje to wyższe straty energii, które uwidocznią się podczas jazdy, ale zysk jest oczywisty: straty na dogrzewaniu będą mniejsze niż utrata zasięgu wywołana mrozem.
Według Ark Invest, firmy promującej i inwestującej w akcje Tesli, przy zastosowaniu LFP kluczowa staje się pewna cecha samochodów kalifornijskiego producenta, mianowicie: wysoka wydajność zespołu napędowego (źródło). Dzięki niej firma może obniżać koszty wytworzenia auta [przechodząc z NCA/NCM na LFP]. W domyśle: bez znaczącego ograniczenia ich użyteczności.
Nota od redakcji www.elektrowoz.pl: w tekście opowiadamy przede wszystkim o zastosowanych katodach. Anody są grafitowe, możliwe, że domieszkowane krzemem. Kształt stosowanych przez Teslę ogniw jest cylindryczny, w Modelach S/X są to ogniwa 1865 (18 mm średnicy, 65 mm wysokości), w Modelach 3/Y są to ogniwa 2170. Wyjątek stanowią ogniwa LFP, które są prostopadłościenne.
Nota 2: do napisania artykułu zainspirował mnie komentarz Ark Invest oraz film z kanału The Limiting Factor. Warto się z nim zapoznać: