Není Li-Ion jako Li-Ion: co má společného baterka v telefonu a elektromobilu?
23.10.2023, Milan Šurkala, článek
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:
Než se pustíme do závěru, chtěl bych ještě nastínit pár záludností, které si možná na první pohled u akumulátorů neuvědomujeme. Můžeme se podívat např. na roli bufferu v akumulátorech a další detaily.
Buffer jako zázračný prodlužovač životnosti
Jistě jste si všimli, že akumulátory (nejen) u elektromobilů mají dvě různé hodnoty u množství energie, které jsou schopny pojmout. Např. taková Škoda Enyaq iV 80 má fyzicky 82kWh akumulátor, ten má ale využitelných jen 77 kWh. To sice na první pohled zbytečně zkracuje dojezd, má to ale několik užitečných důsledků. Znamená to, že na 100 % nabitá baterie ve skutečnosti není nabitá na 100 % a ještě by se do ní pár kWh vlezlo. Stejně tak znamená, že na 0 % vybitá baterie není úplně vybitá. Čím větší buffer, tím větší máte tuto rezervu a tím nižší je nutnost nenabíjet akumulátor na 100 % (a opačně ho také úplně nevybíjet), protože ta 0 a 100, kterou vidíte, je o to vzdálenější skutečné 0 a 100. Chrání to tak proti přebití a přílišnému vybití. Přesto výrobci nadále doporučují vozy nenabíjet na 100 % (ten buffer obvykle není nějak extrémní).
Pojďme ale dál. Následný příklad takto v praxi sice úplně nefunguje, hodně to zjednoduším, ale dobře to vysvětlí koncept a úlohu tohoto bufferu. Řekněme, že máme auto se spotřebou 25 kWh/100 km, a to má 400km dojezd, tedy 100kWh baterii. Každých 200 cyklů spadne dojezd o 20 km (tedy o 5 kWh), takže po 800 cyklech se dostane na 80 % (80 kWh) a 320 km. Předpokládejme lineární pokles. V průměru tak auto najede 360 km na nabíjecí cyklus, těch bylo 800, takže životnost je na 288 tisíc km. To je ta modrá plocha v grafu níže.
A teď dejme do tohoto auta 25% buffer, jak je tomu typické u elektrických nákladních vozidel. Máme tedy fyzicky 125kWh baterii, ale dovolíme využít jen 100 kWh. Co to znamená? 125 kWh energie při spotřebě 25 kWh/100 km spotřebujeme až po 500 ujetých km, což je nyní jeden cyklus akumulátoru (skutečných 0-100 %). Ze 125 kWh na původních 100 kWh se dostaneme po 1000 nabíjecích cyklech (oranžová část grafu), přičemž průměr tohoto cyklu je 450 km. To máme ujetí 450 tisíc km (obsah oranžové plochy). Teprve nyní klesá dojezd ze 400 km a na oněch 320 km se dostane až po dalších 288 tisících km (modrá plocha). Celkovou životnost jsme tak zvýšili z 288 na 738 tisíc km (tedy +150 %), a to jen přidáním 25% bufferu.
Jak již bylo řečeno, takhle přesně to v praxi nefunguje, ale graficky jsem chtěl lépe znázornit, že 125kWh akumulátor na limitních 80 kWh (80 % z čistých dostupných 100 kWh) spadne za mnohem delší dobu než na těchto 80 kWh spadne 100kWh verze. Papírově i prakticky (povolením maximálně 400km dojezdu) se však tváříme, že je tu 100kWh baterie, tedy i 80 % dojezdu, které se berou jako konec životnosti akumulátoru, bereme ze 100 kWh (dovoleného 400km dojezdu) a nikoli ze 125 kWh, které nelze využít. Taháme sice s sebou větší, těžší a dražší baterii, na druhou stranu ta vydrží mnohem déle. Jen pro zajímavost, 6,5% buffer v Enyaqu takto teoreticky navýší životnost o 37 %.
Jak často nabíjíte telefon aneb opravdu najedete 100 tisíc km ročně?
Nyní si konečně odpovíme na otázku celého článku. Co má společného baterka v telefonu a elektromobilu? Oblíbeným argumentačním nesmyslem, se kterým se u baterií lze setkat, je totiž tvrzení, že EV půjde do šrotu za 3-5 let, protože i baterie mobilního telefonu nebo notebooku více nevydrží. To je nesmysl hned z několika důvodů, na které jsme v dnešním článku zaměřili.
- Akumulátor v EV je jiného typu než ten v elektronice, zpravidla má 2-10krát vyšší životnost dle typu. Snad žádné současné EV nemá LCO baterku z elektroniky a ani čistou LMO z elektrických zařízení.
- Už i praxe ukazuje, že ty akumulátory vydrží mnohem déle. Většina studií ukazuje, že akumulátory si obvykle drží i po nějakých 200 tisíc km a mnoha letech přes 90 % původního dojezdu (a to dokonce i NCA v Teslách, které mají poměrně nízkou životnost). Výjimkou jsou elektromobily s velmi krátkým dojezdem, špatným chlazením, a kombinovanými LMO/NCA nebo LMO/NMC katodami, které se ucyklují velmi rychle.
- Řekněme, že EV bude mít stejnou baterku jako váš telefon (což obvykle není pravda, ale předpokládejme to) a má životnost na 800 cyklů. Pokud každý den spotřebujete třeba 80 % baterky v telefonu (0,8 cyklu) a každý den ho tak nabíjíte, znamená to, že baterii ucyklujete po 800/0,8 = 1000 dnech, což je 2,7 roku. Teď si vezměte, že byste stejně tak v průměru spotřebovali 80 % baterky denně v EV. Pokud by toto EV mělo dojezd třeba 400 km, znamenalo by to každý den ujet 320 km. Ročně byste museli ujet 116,8 tisíc km, abyste nabíjeli auto tak často jako telefon, a tedy aby to tak rychle umřelo. Statistiky přitom ukazují, že průměrný Evropan najede tak 11-12 tisíc km ročně, tedy desetinu tohoto množství (i pokud vezmeme nové vozy, které obvykle najednou více než ty starší, jde v průměru asi o necelých 15 tisíc km za rok). Jasně, někteří třeba najedou i 50 tisíc km za rok, drtivá většina lidí (a aut) je ale na mnohem nižších číslech. A i kdyby byl ten nájezd opravdu takto obrovský, stále platí bod 1.
Závěr
Dnes jsme se podívali na technologie lithiových akumulátorů, kdy jsme zjistili, že není Li-Ion jako Li-Ion. Existuje šest základních typů lithiových akumulátorů, přičemž ty mají různé podtypy (lišící se např. poměrem jednotlivých prvků), máme zde ale i různé alternativní přístupy, které se spíše jen dostávají na trh, nebo nejsou příliš časté. Také už nyní víme, že se vyrábí také různé "směsi těchto směsí", takže na základě zkušeností s jedním typem akumulátoru opravdu nelze očekávat, že se jiný akumulátor typu Li-Ion bude chovat stejně.
Ukázalo se, že LCO, které používáme v elektronice, se v autech v podstatě vůbec nenachází, LMO z elektrického nářadí také ne, a pokud ano, tak u starších elektromobilů, a to ještě ve směsi s jiným typem. Také nyní víme, že zrovna toto jsou verze, které mají nejhorší životnost, v případě LCO také nejhorší bezpečnost. Je tedy jasné, že u aut nebo úložišť pro OZE nemůžeme ani zdaleka čekat stejnou životnost jako u elektrických zařízení, s jejichž Li-Ion akumulátory se běžně setkáváme. Také nelze očekávat stejnou míru hořlavosti, i když dobře víme, že dokážou shořet i ty odolnější baterie.
Rozdíly v typech Li-Ion akumulátorů totiž ukazují, že mezi nejhorším a nejlepším typem Li-Ion je zhruba 5-6násobný rozdíl energetické hustoty. Pokud jde o životnost, tak tady se bavíme dokonce o dvou(!) desítkových řádech. To je opravdu tak nebetyčný rozdíl v životnosti, že skutečně nemůžeme házet všechny Li-Ion do jednoho pytle a očekávat od všech 500 cyklů. Zatímco LCO a zejména LMO může začínat na nějakých směšných 300 cyklech, nejlepší LFP nebo LTO se dostanou i na 15-30 tisíc cyklů. Přitom všechny spadají pod kategorii Li-Ion.
Zdroje: dragonflyenergy.com, sustainable-bus.com, flashbattery.tech, batterypowertips.com, efore.com, lithiuminventory.com, nordkyndesign.com, electronicsforu.com, batteryuniversity.com, capacitorsite.com, ecotreelithium.co.uk, powertechsystems.eu, skill-lync.com, circuitdigest.com, howtostoreelectricity.com, eas-batteries.com, actec.dk, nasa.gov, redeweb.com, nanopower.eu, smartcityvpraxi.cz, martinthoma.medium.com, dke.de, faraday.ac.uk, epro-atech.com, nature.com, customcells.de, mitsui.com, metal.com, researchgate.net (2, 3), isi.fraunhofer.de, springer.com
