Není Li-Ion jako Li-Ion: co má společného baterka v telefonu a elektromobilu?
23.10.2023, Milan Šurkala, článek
![Není Li-Ion jako Li-Ion: co má společného baterka v telefonu a elektromobilu?](neni-li-ion-jako-li-ion-co-ma-spolecneho-baterka-v-telefonu-a-elektromobilu/59901/img/li-ion-akumulatory-800.webp)
Akumulátory jsou obestřeny mnoha polopravdami a mýty. Většina lidí má za to, že Li-Ion je prostě Li-Ion a jak je v baterii lithium, má vždy stejné vlastnosti. Je tomu ale skutečně tak? Jak moc se jednotlivé typy liší?
Kapitoly článku:
V této kapitole se podíváme na to, jaké hlavní typy článků vlastně existují, jak moc se mezi sebou liší, jaké jsou jejich vlastnosti, ale také na to, kde se vlastně používají. Jak uvidíme, není to vůbec tak jednoduché, jak by se mohlo zdát. V přehledu budou uvedené průměrné hustoty komerčně prodávaných článků a jejich typický rozsah, tedy kam se vleze většina článků bez extrémistů. Zkratky jednotlivých chemických směsí obvykle hovoří o materiálu katody, je zde ale i jedna výjimka, kterou jsou akumulátory LTO. Tam je tím nejzajímavějším anoda.
![Typy katod, anod a jejich napětí a kapacity](neni-li-ion-jako-li-ion-co-ma-spolecneho-baterka-v-telefonu-a-elektromobilu/59901/img/typy-smesi-a-kapacity.webp)
Na obrázku výše vidíte jednotlivé typy katod a anod, o kterých se budeme bavit, jsou zde také hustoty a napětí. Např. LCO (LiCoO2) akumulátor s uhlíkovou anodou bude mít napětí okolo 3,9 V - 0,1 V = 3,8 V, ale kombinace LTO anody a LFP katody by vedla jen k 3,45 V - 1,5 V = 1,95 V. Pokud jde o elektrolyty, v případě lithiových akumulátorů jde obvykle o kapalné organické chemikálie jako ethylkarbonát, propylenkarbonát nebo dimethylkarbonát s rozpouštěnými solemi jako LiPF6, LiBF4 nebo LiClO4.
LCO (LiCoO2 - Lithium-Cobalt-Oxide)
Nominální napětí: 3,6 V
Rozsah napětí: 3,0-4,2 V
Životnost: 500-1000 cyklů
Energetická hustota (hmotnostní): 190 Wh/kg (150-220 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 490 Wh/l (400-580 Wh/l)
Max. vybíjení: 1C
Max. teplota: 150 °C
|
![]() autor: Sertion, CC BY-SA 3.0, přes Wikimedia Commons
|
Jako první Li-Ion se objevily články LCO a dodnes jde o jedny z nejčastějších článků na trhu. Najdete je ve většině spotřební elektroniky, jako jsou telefony, notebooky nebo fotoaparáty. Pokud si stěžujete na špatné vlastností akumulátorů, je to právě kvůli směsi LCO, která byla první a která i přes některé své kvality má spoustu neduhů. V zásadě se dá říci, že LCO je prokletím Li-Ion akumulátorů, protože lidé jejich neduhy automaticky aplikují i na zbývající směsi, ačkoli jimi zdaleka netrpí do takové míry, pokud vůbec.
Co je tedy na LCO dobrého? Mají poměrně slušnou energetickou hustotu, a to jak tu hmotnostní (cca 190 Wh/kg), tak i objemovou (cca 490 Wh/l). Tím se do elektroniky dost hodí, protože kde jinde chcete malé rozměry a nízkou hmotnost. Poněvadž nemají rády rychlé vybíjení, tedy poskytují nízký výkon, do elektroniky se opravdu hodí, protože tam obvykle nikdy nechcete, aby se zařízení pod plným výkonem vybilo během jediné hodiny. Vybíjení s 1C tak dostačuje na potřeby většiny elektroniky, i když třeba u herních notebooků by to už mohl problém. Taková 90Wh baterka s 1C vybíjením (za hodinu) by tedy mohla dodat max. 90 W, což by pro herní notebooky bylo málo. To také znamená horší použitelnost v elektromobilech, které potřebují značně vyšší vybíjecí proudy. Mít 50kWh baterku a 50kW max. výkon (při 1C) by nebylo nic extra. Nicméně jsou i LCO baterie, které podporují vyšší proudy, a tedy rychlejší vybíjení.
A co je na nich špatného? Skoro vše ostatní. Hoří. Mají opravdu mizernou bezpečnost, jde s přehledem o nejméně bezpečné lithiové baterie na trhu. Na poměry lithiových baterek se snadno vznítí a už při teplotě 150 °C je opravdu problém. I to je svým způsobem předurčuje do elektroniky, kde požár malé baterky neudělá tak velkou škodu ve srovnání s případem, kdyby se LCO dalo do auta. To bychom měli podstatně více shořelých elektromobilů než dnes. Vysoký obsah kontroverzního kobaltu (až okolo 60 % katody) také není zrovna něco, co by si LCO baterky mohly dát za rámeček.
Další neduh? Nízká životnost. Na internetu se sice obvykle udává 500-1000 cyklů, ale většina specifikací se spíše pohybuje někde kolem 70-80 % kapacity za 500 cyklů. Není tedy divu, že vám každý den nabíjený telefon, což máte skoro jeden nabíjecí cyklus denně, odejde po 2-3 letech. To je vedle obrovské spotřeby velmi drahého kobaltu, nebezpečnosti a nízkým vybíjecím proudům (nízkému výkonu) také důvodem, proč se tyto akumulátory NEdávají do aut. Je tedy jasné, že zkušenosti, které máte z používání Li-Ion akumulátorů ve spotřební elektronice, nemůžete aplikovat na elektromobily, protože mají jiné akumulátory. Snad jediná auta, která kdy měla opravdu LCO baterii z notebooku, byla první Tesla Roadster z roku 2008 a některé verze Smart Fortwo ED. Zde ještě připomeňme, že Enovix loni představil křemíkový LCO akumulátor s 295 Wh/kg a 900 Wh/l.
LMO (LiMn2O4 - Lithium-Manganese-Oxide)
Nominální napětí: 3,7 V
Rozsah napětí: 3,0-4,2 V
Životnost: 300-800 cyklů
Energetická hustota (hmotnostní): 120 Wh/kg (100-160 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 300 Wh/l (260-370Wh/l)
Max. vybíjení: 10C
Max. teplota: 250 °C
|
![]() |
Tak tady je to hodně zamotané, LMO baterie jsou jak s LiMnO2, tak i LiMn2O4, přičemž najdete nenabíjecí i nabíjecí varianty. Ty nabíjecí ale téměř nelze sehnat jako články, ale pouze jako hotové akumulátory z několika článků, což nám situaci hodně komplikuje (zejména co se hustoty týče). LMO nahrazuje kobalt z LCO manganem, což má některé pozitivní, ale i negativní výsledky.
Tím pozitivním je jednoznačně obrovský výkon, který jsou tyto akumulátory schopny dodat vzhledem ke svým kapacitám a množství uložené energie (vybíjení 10C), jedná se tedy o tzv. power cells. Je tedy možné je velmi rychle vybít. Díky tomu se používají zejména pro mobilní nástroje s vysokým výkonem, jako jsou např. vrtačky. Nenabíjecí varianty se pak velmi často používají v defibrilátorech, kde je důležitý obrovský proud po krátkou dobu. Poměrně často se využívají také v elektrokolech. Jsou také mnohem bezpečnější než LCO, což je dáno i mnohem vyšší teplotou, kterou dokážou snést (250 °C).
Co se týče hustoty, zde dochází k velkým nejasnostem. Vzhledem k tomu, že se mi nepovedlo dohledat téměř žádné "čisté" LMO články (pouze jeden se 159 Wh/kg a 323 Wh/l), maximálně celé akumulátory, velmi těžko se hodnotí hustota těchto článků. Obecně se ale hovoří o tom, že LMO se pohybuje jen někde kolem 100-150 Wh/kg, což je v podstatě o třetinu níže pod LCO. Akumulátory do vrtaček a podobných nástrojů tak sice jsou výkonné, ale hodně těžké a brzy jsou vybité. A je tu ještě jeden problém. Jestli mělo LCO nízkou životnost, tak u LMO je už doslova mizerná. Zde se mluví o cca 500 cyklech (nejčastěji najdete rozsahy 300-700, někdy už od pouhých 200 cyklů, někdy naopak až do 800 cyklů). Takže až budete nadávat na mizernou výdrž v baterii vašeho elektrokola, víte proč. A také víte, proč nemáte totéž očekávat u elektromobilu.
Opět tu tak máme situaci, že tu jsou Li-Ion akumulátory, se kterými máme životní zkušenosti, ale nemůžeme tyto zkušenosti aplikovat na elektromobily, protože se v nich nepoužívají. Jsou pro ně totiž nevhodné. Mají možná až zbytečně vysoký výkon, naproti tomu jsou velmi objemné a těžké, přičemž limitujícím faktorem je i životnost. Přesto jsme se částečně s LMO mohli setkat zejména na počátku elektromobility. Pokud se používají, jde především o směsi s dalšími typy. LMO-NMC jsme tak našli v Mitsubishi i-MIEV, Fiatu 500e, Fordu Focus EV nebo Renaultu Zoe, kde měly hustoty okolo 110-170 Wh/kg a 220 až 310 Wh/l. Nissan Leaf pak využíval směs LMO-NCA s hustotami 155-165 Wh/kg, resp. 310-375 Wh/l. Tím pádem se vylepšila jejich mizerná hustota i životnost, stále ale dokážou podávat hodně vysoký výkon vzhledem k množství energie.
LFP (LiFePO4 - Lithium-Iron-Phosphate)
Nominální napětí: 3,2 V
Rozsah napětí: 2,0-3,6 V
Životnost: 4000 cyklů (2000-12000 cyklů)
Energetická hustota (hmotnostní): 130 Wh/kg (90-180 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 280 Wh/l (200-380Wh/l)
Max. vybíjení: 3C
Max. teplota: 270 °C
|
![]() |
To také znamená, že ačkoli se většinou používají do základních verzí elektromobilů (např. Tesla je má ve Standard Range verzích některých vozů), v praxi nabídnou podobný dojezd jako Long Range verze nabíjená třeba jen na 80-90 %. Např. nový Model 3 SR má 513km dojezd, LR je na 629 km, ale při nabíjení na 90 % jsme na 566 km a při nabití na 80 % už jen na 503 km. Zpomalování nabíjení u téměř plného nabití ale trápí i je, takže při dlouhých cestách to stejně nemá smysl cpát až ke 100 %. Mají velmi plochou vybíjecí křivku, což znamená, že jsou téměř v celém rozsahu nabití akumulátory schopny podávat stejný výkon (ten se tedy výrazně neliší při různé úrovni nabití, což je pro EV další užitečná vlastnost). Např. data známého youtubera Bjørna Nylanda hovoří o tom, že akcelerace 0-100 km/h v průměru při 10% nabití trvá elektromobilům o 28 % déle než při 90% nabití, Teslám s LFP akumulátory se tento čas prodlužuje jen o 3-4 %. Toto ale prezentuje také nevýhodu, dost těžko se odhaduje míra vybití akumulátoru. Trpí také trochu větším samovybíjením než jiné Li-Ion akumulátory.
Obvykle ale není vše tak růžové jako ilustrační auto výše, a tak je jejich hlavní nevýhodou nízká energetická hustota zhruba na úrovni LMO. Ta je v průměru jen 130 Wh/kg a 280 Wh/l, u nejlepších aut se obvykle bavíme o hodnotách někde okolo 160-170 Wh/kg. Díky jejich vysoké bezpečnosti je ale snazší vyrábět větší články, což snižuje potřebu tolika podpůrných systémů jako u NMC/NCA, takže navzdory nižší hustotě na úrovni článků toto dokážou mírně vykrýt na úrovni akumulátoru, který nemusí mít tolik té elektroniky, chlazení a ochrany okolo (vynikající výsledky v tomto ohledu předvádí akumulátory CATL Qilin, kde má celá baterka s články LFP hustotu 160 Wh/kg, což nemají ani mnohé samostatné články LFP, natož celý akumulátor s nimi). Další nevýhodou je, že nemají rády zimu. Tu sice nemají rády lithiové baterky v podstatě obecně, nicméně LFP je na to ještě háklivější.
LFP akumulátory najdeme především v čínských elektromobilech, delší dobu je využívá i Tesla ve Standard Range verzích, o čemž jsme už mluvili, jsou ve voze Volvo EX30 s krátkým dojezdem a od roku 2024 na ně chce přecházet skoro celý automobilový průmysl (příští rok je má mít Volkswagen a Ford, poměrně brzy se mají objevit i ve vozech Mercedes, BMW, KIA, Hyundai a dalších). Vypadá také, že své místo najdou navzdory vysokým hmotnostem (spojených spolu s velkými buffery) a z toho plynoucího omezení nosnosti v autobusech a nákladních vozech (má je např. Mercedes-benz eActros 600). Tyto akumulátory jsou také u drtivé většiny solárních instalací se záložním akumulátorem a větších úložištích energie.
NCA (LiNiCoAIO2 - Lithium-Cobalt-Aluminium)
Nominální napětí: 3,6 V
Rozsah napětí: 3,0-4,2 V
Životnost: 500-1000 cyklů
Energetická hustota (hmotnostní): 230 Wh/kg (200-280 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 600 Wh/l (480-760Wh/l)
Max. vybíjení: 3C
Max. teplota: 150 °C
|
![]() |
Dostáváme se k akumulátorům NCA, kde už najdeme nikl a kobalt, který je dost problematickým prvkem z pohledu životního prostředí i míst, kde se těží. Právě toto jsou akumulátory, se kterými začala Tesla u svých Modelů S a X (a v podstatě je jedinou automobilkou, která je ve větším využívá). Pohled na specifikace ukazuje, že zásadní výhodou těchto akumulátorů je vysoká energetická hustota. Ta dosahuje v průměru 230 Wh/kg, u Tesel se bavíme většinou okolo 240-260 Wh/kg a existují i verze článků s 280 Wh/kg. Pokud chcete spoustu energie na co nejmenším prostoru a při co nejmenší hmotnosti, NCA je dobrá cesta. V případě Tesly je využívána směs NCA92, tedy s obrovským množstvím niklu a poměrně malým zastoupením kobaltu. I proto jsou mnohem levnější než původní LCO v prvním Roadsteru.
Stejně jako v předchozích případech, ani zde není vše růžové. Nevýhodou článků NCA je nepříliš vysoká životnost (i tak ale např. Tesly Model S mají i po 320 tisících km v průměru ještě 88 % původního dojezdu, a obecně statistiky hovoří o průměru nějakých 90-93 % po 200 tisících km, tam je to díky tomu, že mají relativně dlouhý dojezd). Obvykle se životnost udává někde okolo úrovně LCO akumulátorů v elektronice a stejně jako tam, i v tomto případě tu máme nízkou max. teplotu a náchylnost k požárům. Není divu, že jsme v minulosti zaznamenali několik požárů Tesel, a to se jich proháněly jen statisíce. Nyní jich jsou na silnicích miliony a nezdá se, že bychom tu měli řádově více požárů. Jednak SR verze přešly na LFP, o kterém jsme hovořili výše, jednak NCA začalo být v některých modelech nahrazováno odolnějším typem NMC.
NMC (LiNixMnyCozO2 - Nickel-Manganese-Cobalt)
Nominální napětí: 3,6-3,7 V
Rozsah napětí: 3,0-4,2 V
Životnost: 500-2000 cyklů
Energetická hustota (hmotnostní): 190 Wh/kg (běžně 100-260 Wh/kg, max. až 360 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 500 Wh/l (280-740Wh/l)
Max. vybíjení: 20C
Max. teplota: 210 °C
|
![]() |
Typ NMC (někdy také zkracováno jako NCM) je nejčastějším typem akumulátorů u elektromobilů, a to zejména těch evropských a amerických. Jde totiž o typ, který se pro EV hodí asi nejvíce. Má totiž vyšší životnost proti NCA (a proti LCO v elektronice), takže vaše zkušenosti s životností akumulátoru ve smartphonu nemůžete automaticky vztahovat i na auta, jde totiž o jiný typ (nemluvě o tom, že rychlost cyklování u auta je úplně někde jinde než u telefonu), nemálo běžně dostupných cylindrických článků NMC se však pohybuje stále jen okolo standardních 500 cyklů. Max. napětí je 4,2-4,35 V dle typu, nicméně pokud se toto omezí na nižší hodnoty (což ale logicky vede i k nižší energetické hustotě a množství uložené energie), jejich životnost se může výrazně zvýšit a dokonce překonávat i baterie LFP.
NMC je navíc kategorií, kde se jednotlivé články extrémně liší. Výrobci totiž vyrábí modely, kde se hraje na co nejvyšší energetickou hustotu a ve formě cylindrických článků si můžete koupit i takové, které mají přes 260 Wh/kg (pak jde o tzv. energy cells), nicméně mají v nabídkách i takové, které jsou určené pro co nejvyšší počet nabíjecích cyklů nebo co nejvyšší výkon na úkor hustoty, a tam se klidně můžeme pohybovat jen okolo 100 Wh/kg (pak jde o power cells, slouží k podobným účelům jako LMO).
Liší se ale i v dalších věcech. NMC články můžete vidět často napsané jako NMC111, NMC532, NMC622, NMC811 a další. Tato čísla vyjadřují přibližné zastoupení niklu, manganu a kobaltu. NMC111 má tedy zastoupení těchto prvků v katodě zhruba stejné, naopak NMC811 je katoda s extrémně vysokým zastoupením niklu okolo 80 %, zatímco ostatní mají jen zhruba po desetině. Je to pochopitelně hodně přibližné, hmotnostně to bývá i jen okolo 6 %. Vyšší podíl niklu zvyšuje energetickou hustotu, ale přináší jiné problémy jako menší stabilitu. Jak sami vidíte, nejenže není Li-Ion jako Li-Ion, ale ono dokonce není ani NMC jako NMC a tato směs pokrývá téměř kompletní rozsah hustot i životností ostatních typů. Snižující se podíl velmi drahého kobaltu způsobuje i to, že se značně snižuje jejich cena a dost se blíží cenám levných LFP. Ve výsledku tak katoda pro NMC vyjde na méně než polovinu toho, co pro LCO v elektronice.
S tímto typem článků se nesetkáte jen v autech, ale také dalších elektrických mobilních prostředcích (motorky, koloběžky, občas i elektrických kolech). Docela populární volbou jsou i v robotice, modely s vyššími vybíjecími proudy se mohou používat také v elektrickém nářadí. Celkově tak mají poměrně dobrou životnost (lepší než NCA), jednu z nejvyšších energetických hustot, obvykle podporují rychlé vybíjení i nabíjení, jsou proti NCA také odolnější vůči požárům. NCM používá Tesla v Powerwallech, kde jsou optimalizovány na vysokou životnost (mají tedy sníženou energetickou hustotu).
LTO (Li4Ti5O12 - Lithium Titanate)
Nominální napětí: 2,4 V
Rozsah napětí: 1,8-2,8 V
Životnost: 3000-20000 cyklů
Energetická hustota (hmotnostní): 70 Wh/kg (60-90 Wh/kg)
Energetická hustota (objemová): 160 Wh/l (125-205 Wh/l)
Max. vybíjení: 30C
Max. teplota: 225 °C
|
![]() |
LTO jsou poněkud zvláštním typem, protože zde zkratka hovoří o materiálu v anodě a nikoli katodě (jako u všech předchozích). LTO tak může být klidně LFP nebo NMC akumulátorem. Tohle jsou svými výkony akumulátory jak z jiné galaxie. Podporují rychlé vybíjení (jsou tedy vzhledem k množství energie schopny podávat velmi vysoké proudy, a tedy i výkon), mají také extrémně vysokou životnost. Ty nejhorší jsou někde na 3 tisících cyklech, obvykle se ale bavíme o pěticiferných číslech a některé přesahují i 20-30 tisíc nabíjecích cyklů.
Jako vždy, i tady je to něco za něco, takže musíte počítat s velmi nízkým nominálním napětím (připomeňme, že většina má 3,6-3,7 V, LFP je na 3,2 V, LTO je jen na 2,4 V), což se také odráží na velmi nízké energetické hustotě. Ta tak dosahuje v průměru pouhých 70 Wh/kg a jsou tak v tomto ohledu horší než první komerčně dostupné lithiové články vůbec (Sony z počátku 90. let). Pro některá využití mají ale velký smysl. Potřebujete-li opravdu extrémní životnost, mezi Li-Ion akumulátory je LTO jasná volba (následované LFP). Také jsou schopné pracovat v mnohem širším rozsahu teplot. Vedle nízké hustoty je další nevýhodou násobně vyšší cena proti jiným typům akumulátorů.
Z těchto důvodů je najdeme především u automatizovaných elektrických vozidel (AGV - Automated Guided Vehicles). Jsou dosti bezpečné, takže je zde minimální riziko, že od nich chytne celý sklad včetně toho, co je v něm uloženo, podporují také rychlé nabíjení, takže idea toho, že robot bude chvíli pracovat a pak se hodiny nabíjet, je zbytečná.
Nízká hustota a vysoká cena je takřka vylučují z trhu s elektromobily, ale to neznamená, že by se nikdy nepoužily. Honda je použila ve svém modelu Fit EV (japonská verze Jazzu), kde byl jen 20kWh akumulátor. Už v roce 2013 podporoval nabíjení za 15 minut a měl životnost 4000 cyklů. Mitsubishi i-MIEV se dalo sehnat i u nás, nicméně i zde byla LTO verze dostupná jen v Japonsku a také šlo o akumulátory Toshiba SCiB (u nás byla kombinace LMO-NCM).
Pokud byste něco takového chtěli vidět na vlastní oči, tak si udělejte výlet do Ostravy. Zde se prohání několik českých elektrobusů Ekova Electron 12 právě s těmito netradičními LTO akumulátory. Podporují velmi rychlé 450kW nabíjení a mají dvě 43kWh baterie. Zatímco ale taková 42kWh baterka v elektrickém Megane E-Tech váží 292 kg, zde jeden 43kWh akumulátor váží přes 1040 kg. Autobus tak v baterkách vozí 2,1 tuny, přitom má jen celkových 86 kWh (využitelných 74 kWh), což je zhruba jako Tesla Model 3 Long Range. Jezdí na 23km trase a kvůli dennímu proběhu 350 km se 13-15krát denně nabíjí ze zhruba 30-50 % na 90 %.
Srovnání jednotlivých typů akumulátorů
Nyní by už mělo být hodně jasné, že není Li-Ion jako Li-Ion a dokonce i v rámci jednoho chemického typu můžete nalézt akumulátory s úplně odlišnými vlastnostmi, což se týká zejména NMC, který pokrývá v podstatě kompletní rozsah hustot podle toho, jaká vlastnost je tou primární (může tím být energetická hustota, životnost nebo třeba co nejvyšší výkon, ať už ten podávaný nebo nabíjecí).
Např. energetické hustoty (Energie) se mohou lišit od nějakých 60 až do 320 Wh/kg, a to pořád hovoříme o Li-Ion. Také životnosti, které nejsou na grafu, mohou mít stovky cyklů, ale i nízké desetitisíce. Srovnání na bodové úrovni vidíte níže.
Tady to na grafu vidíte ještě jednou. Když srovnáte životnosti jednotlivých akumulátorů (v grafu je rozsah typických životností jako min. až max. životnost), vidíte, že červené linie se opravdu výrazně liší. Obvykle máte zkušenosti s LMO a LCO, což jsou dva typy ve spodku grafu, které skoro nemají červenou. V autech se nejčastěji setkáme s LFP a NMC, což je druhý a třetí typ seshora, a znovu se ukazuje, že životnost baterií v elektromobilech opravdu nelze posuzovat dle zkušeností s elektronikou. Oba dva (a zejména LFP) je mnohem dál než to, na co jsme jako spotřebitelé u Li-Ion zvyklí. Ostatně i u hustot (modré čáry) vidíme značné, tzn. násobné rozdíly.