Uważa się, że współczesne ogniwa Li-ion najlepiej czują się w temperaturze pokojowej, ponieważ dzięki niej można zachować rozsądny kompromis między szybkością ładowania i degradacją ogniw. Okazuje się jednak, że ich podgrzanie przed ładowaniem pozwala na wyższą moc ładowania i nie wpływa znacząco na zużycie baterii.
Mechanizm z Tesli z naukowym opracowaniem
Spis treści
W 2017 roku Tesla dodała w swoich samochodach mechanizm wstępnego podgrzewania baterii przy niskich temperaturach. Miał on pozwalać na osiągnięcie wyższych zasięgów zimą oraz szybsze ładowanie podczas mrozów. Jednak samo podgrzewanie i chłodzenie nie było jakimś szczególnym odkryciem, wielu producentów stosuje aktywnie chłodzone/ogrzewane ogniwa lub całe pakiety akumulatorów.
> Jak są chłodzone baterie w samochodach elektrycznych? [SPIS modeli]
Kluczem okazało się takie aplikowanie ciepła, żeby dzięki niemu przyspieszać ładowanie nie niszcząc ogniw. Wygląda na to, że po aktualizacji odkryto, jaka powinna być temperatura, żeby skrócić postój na ładowarce. Funkcja ogrzewania baterii przed podłączeniem do Superchargera (ang. pre-heat, docelowo w 2019 roku: On-Route Battery Warmup) trafiła do oprogramowania na stałe po premierze Superchargerów v3, w marcu 2019 roku:
Naukowcy Electrochemical Engine Center na Pennsylvania State University właśnie udowodnili, że Tesla ma rację. A to oznacza samochody elektryczne ładowane w 10 minut z mocą kilkuset kilowatów i brak stresu o degradację pojemności baterii przez dziesiątki lat, o ile tylko precyzyjnie dobierze się temperaturę, do jakiej podgrzewane są ogniwa.
Ale zacznijmy od początku:
Największy problem ogniw Li-ion to uwięziony lit. Albo w SEI, albo w graficie. A przecież mniej litu = mniejsza pojemność
Powszechnie przyjmuje się, że optymalna temperatura pracy ogniw Li-ion to temperatura pokojowa. Dlatego mechanizmy aktywnego chłodzenia baterii dbają o to, by ogniwa zanadto się nie przegrzały (bo nie zawsze da się utrzymać nominalne 20 stopni Celsjusza).
Temperatura pokojowa pozwala na utrzymanie w ryzach wzrostu warstwy pasywacyjnej – zestalonej frakcji elektrolitu budującej się na elektrodzie, która wiąże w sobie jony litu; ang. SEI – oraz więzienie jonów litu w grafitowej elektrodzie. Wzrost temperatury oznacza przyspieszenie obu procesów. Widać to zresztą po wstępnych testach.
> Tesla zaskarżona w Niemczech. Za „Autopilota”, „Jazdę w Pełni Autonomiczną”
Naukowcy z Electrochemical Engine Center sprawdzili, że ogniwa litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych są w stanie wytrzymać zaledwie około 50 ładowań z mocą 6 C (czyli 6-krotnie większą niż pojemność ogniwa, np. ogniwo o pojemności 0,2 kWh ładowane jest mocą 1,2 kW itd., źródło).
Dla porównania te same ogniwa:
- bez problemu osiągały ponad 2 500 ładowań przy mocy 1 C (dla samochodu z baterią 40 kWh jest to 40 kW, dla auta z baterią 80 kWh – 80 kW itd.),
- wytrzymywały już tylko 200 ładowań przy mocy 4 C.
Przy czym przez „wytrzymać” rozumiemy tutaj utratę 20 procent pierwotnej pojemności, bo tak pojmuje się ten termin w motoryzacji.
Badacze zajmujący się tematem ogniw Li-ion od wielu lat usiłowali rozwiązać problem przez zmienianie składu elektrolitów lub pokrywanie elektrod rozmaitymi materiałami utrudniającymi uwięzienie jonów litu. Bo to właśnie wędrujące w baterii jony litu odpowiadają za pojemność ogniwa.
> Renault-Nissan inwestują w Enevate: „Ładowanie baterii w 5 minut”
Dość niespodziewanie okazało się, że problem można rozwiązać znacznie prościej. Wystarczy podgrzanie ogniwa, żeby problem więzienia jonów litu został znacząco ograniczony. Niestety, wyższa temperatura i tak powodowała spadek pojemności ogniwa: gdy ograniczono zamykanie litu w elektrodzie, nie rozwiązano problemu przyrostu warstwy pasywacyjnej (SEI).
Nie kijem, to pałką.
Wyższa temperatura przez krótki czas = bezpieczne ładowanie ze znacznie wyższą mocą
Naukowcom z wspomnianego ośrodka badawczego udało się jednak znaleźć złoty środek. Nazwali go Asymetryczną Modulacją Temperatury (ang. Asymmetric Temperature Modulation Method). Podgrzewają ogniwo przez 30 sekund do 48 stopni Celsjusza, następnie ładują je przez 10 minut, by w końcu pozwolić układowi pracować, a temperaturze spadać.
Dlaczego ładowanie trwa tylko 10 minut? Otóż przy mocach 6 C to wystarczający czas, żeby naładować baterię do 80 procent pojemności. 6 C oznacza bowiem zastosowanie mocy:
- 240 kW w przypadku Nissana Leafa II,
- 400 kW dla Hyundaia Kona Electric 64 kWh,
- 480 kW dla Tesli Model 3.
Przy konieczności ładowania od 0 do 80 procent tak wysokie moce wymagają 10 minut postoju przy ładowarce. Jeśli jednak stopień rozładowania akumulatorów jest niższy (10 procent, 15 procent, …), proces uzupełniania energii potrwa nawet krócej niż 10 minut!
Mechanizm chłodzenia baterii musi zadbać jedynie o to, żeby temperatura baterii nie wzrosła wysoko ponad 50 stopni (badacze mówią o 53 stopniach Celsjusza), by ograniczyć szybkość budowania warstwy pasywacyjnej. Jednocześnie krótki czas ładowania pozwala na skrócenie okresu jej wzrostu.
Wyniki? W zasięgu ręki: ładowanie z mocą 200-500 kW i 20-50 lat życia baterii
Naukowcom udało się dowieść, że traktowane w ten sposób ogniwa NMC622 są w stanie wytrzymać 1 700 ładowań z mocami 6 C i utratą do 20 procent pojemności. 1 700 ładowań nie wygląda na zbyt imponującą liczbę, ale jeśli pokonujemy 20 tysięcy kilometrów rocznie, a bateria ma 50 kWh pojemności, to ten wynik przełoży się na 23 lata eksploatacji.
Dodajmy, że baterie i zasięgi samochodów elektrycznych rosną, a Polacy zwykle przejeżdżają rocznie mniej niż 20 tysięcy kilometrów – co oznacza, że pojemność akumulatorów powinna spaść do 80 procent po jakichś 30-50 latach.
> No i jest! Pierwszy samochód elektryczny z realnym zasięgiem 600 km – Tesla Model S Long Range
Warto poczytać: Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries
Zdjęcie otwierające: galwanizacja (pokrywanie się litem) elektrody w zależności od temperatury ogniwa (c) Electrochemical Engine Center