Dlaczego zimą samochody elektryczne ładują się wolniej i co można z tym zrobić?

Jeśli korzystacie z samochodu elektrycznego zimą, wiecie, że przy niskich temperaturach szybkość ładowania spada. Szczególnie duży zjazd da się zauważyć, gdy temperatury stają się ujemne. Dlaczego tak się dzieje i jak można sobie poradzić z tym problemem? Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie zaglądając do samego środka ogniwa.

Pojemność baterii przy niskich temperaturach i spadające moce ładowania na mrozie

Ogniwo litowo-jonowe nie jest prostym akumulatorem energii w rodzaju koła zamachowego, które wiruje wolniej albo szybciej. To skomplikowany elektrochemiczny układ, w którym istotne są temperatury, napięcia, natężenia, gęstości czy lepkości jonowe. Ładowanie baterii Li-ion przez podłączenie ich „na krótko” do prądu prędzej czy później skończy się katastrofą. Ogniwa Li-ion zawsze muszą współpracować z BMS-em, który zadba o ich komfort.

Przy normalnych temperaturach ładowanie ogniwa przebiega w sposób zaplanowany: związane z katodą (np. niklowo-manganowo-kobaltową) jony litu oddają elektron i przepływają przez elektrolit do grafitowej anody. Grafit ma strukturę porowatych gąbek (po prawej), z licznymi jamami, w których jony litu mogą zakotwiczyć.

Ale przy niskich temperaturach zachodzi zjawisko, które znamy również z makroświata: szybkość reakcji chemicznych spada, struktury ogniwa się kurczą. Dotyczy to również jam, przestrzeni w porowatych grafitowych strukturach. W efekcie jony litu nie wszędzie się mieszczą, niektóre kanały transportowe się zapychają, a przecież to właśnie liczba swobodnych jonów litu decyduje o pojemności baterii.

– Dobrze – mógłby powiedzieć ktoś – a gdyby w takim razie spróbować wcisnąć jony litu na siłę, wyższą mocą, żeby rozepchały węglowe struktury? Otóż nie moglibyśmy zrobić niczego gorszego. Działanie tego rodzaju to jak próba użycia młotka w stosunku do klucza, który nie chce wejść innego zamka. Jony litu nie dość, że zniszczyłyby pory, to jeszcze zaczęłyby się osadzać na powierzchni anody (ang. lithium plating).

Te przypominające watę czy gałęzie struktury to litowe dendryty formujące się na powierzchni litu. Gdy dotrą do przeciwnej elektrody, spowodują iskrzenie, może nawet zapłon (c) University of Michigan

Duża ilość metalicznego litu to zaproszenie do formowania się dendrytów, a obecność dendrytów to przedostatni krok przed zwarciem i zgonem (wariant optymistyczny) lub samozapłonem (wariant pesymistyczny) ogniwa Li-ion. Gdyby nie BMS, nawet jedno ładowanie baterii litowo-jonowej na dużym mrozie mogłoby prowadzić do jej śmierci!

Samochody elektryczne są mądre, zapobiegają uszkodzeniom, więc szkodzą… ludziom

Samochody elektryczne, a konkretniej: ich BMS-y, robią wszystko, by uniknąć negatywnego wpływu niskich temperatur na ogniwa. Tak właśnie je zaprogramowano: gdy bateria jest bardzo zimna (temperatury poniżej 0 stopni Celsjusza), mogą w ogóle zablokować możliwość ładowania auta. Mogą stosować bardzo niskie moce. Mogą wreszcie – ten mechanizm stosowany jest najczęściej – przekierować całą moc do układu grzewczego, żeby najpierw doprowadzić ogniwa do co najmniej kilku stopni powyżej zera.

Wszystkie te rozwiązania powodują, że czas postoju na stacjach ładowania się wydłuża. Dlatego w części elektryków (tutaj prym wiodą Tesle) pojawiły się dodatkowe mechanizmy przygotowywania baterii do ładowania (ang. preheating, preconditioning), o ile tylko ustawimy w nawigacji trasę. Owszem, powodują one zwiększone zużycie energii podczas jazdy, ale dzięki nim ładowanie zimą powinno trwać tylko trochę dłużej niż latem.

A co może zrobić kierowca nie-Tesli, żeby utrzymać temperaturę baterii mimo mrozu? Najbardziej oczywisty sposób to oczywiście parkowanie w garażu, jednak nie wszyscy mogą sobie na to pozwolić. Jeżeli podróżujemy na większe dystanse, działaniem dość skutecznym, choć sprzecznym z intuicją, jest… zwiększenie szybkości jazdy lub naprzemienne mocne przyspieszanie i zwalnianie, by odzyskać energii. Przy niskich temperaturach zwiększają się opory baterii, rośnie ilość wydzielanego ciepła, bardziej rozgrzewają się też silniki – w podwoziu powinno być nieco cieplej niż zwykle.

Ale z tym ostatnim trzeba uważać: niższe temperatury to niższe pojemności baterii, może się więc okazać, że rozładujemy się przed celem podróży. W dodatku bardzo niskie temperatury wiążą się z wyższymi gęstościami powietrza, a więc rosnącymi oporami podczas jazdy. No i last but not least: gdy temperatury spadną w okolice -20 stopni Celsjusza lub niżej, wewnętrzne ciepło baterii nie wystarczy – lepiej polegać na mechanizmach samochodu.

W skrócie: ufajmy BMS-om, bo ich twórcy wiedzą lepiej od nas, czego potrzebują zastosowane przez nich ogniwa. I domagajmy się od producentów, żeby implementowali mechanizmy podgrzewania ogniw przed ładowaniem.

Warto poczytać: Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review