Není Li-Ion jako Li-Ion: co má společného baterka v telefonu a elektromobilu?

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.

 

 

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.

 

 

 

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)

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 řeší téměř všechny problémy lithiových akumulátorů. Mají jednu z nejvyšších teplot vznícení, obvykle jsou považovány za téměř nehořlavé (to ale neznamená, že by byly naprosto odolné, to nejsou). Jejich životnost se počítá na tisícovky cyklů (v autě se tak bavíme o životnostech na více než milion km), jsou také o něco levnější než tradiční akumulátory pro elektromobily (NCA/NMC), výhodou je také to, že neobsahují kobalt nebo nikl, tedy typické kontroverzní prvky. Jsou tedy i na poměry lithiových akumulátorů docela ekologické. Další výhodou je to, že zatímco většina Li-Ion akumulátorů nemá rádo nabíjení na 100 %, LFP to nevadí a spíše naopak, občas (nebo spíše častěji) to dokonce uvítají.

 

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)

Tento paprskový graf ukazuje, jak si jednotlivé typy Li-Ion stojí vůči sobě v otázce bezpečnosti, výkonu (rychlosti vybíjení a nabíjení), energetické hustoty, ceny a životnosti.

 

 

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.