Degradace lithium-iontových akumulátorů – Jak dlouho vydrží?

Akumulátory jsou pro elektromobily klíčovou součástí a současně tím nejdražším náhradním dílem. Zároveň u nich ale platí, že v průběhu času ztrácejí svou kapacitu, a s tím klesá použitelnost daného automobilu. Co degradaci způsobuje a jak ji může uživatel ovlivnit? 

Zásadní výhodou bateriových elektromobilů je jejich mechanická jednoduchost. Tuto výhodu ale kompenzuje přítomnost akumulátoru, dnes běžně složeného z mnoha článků sestavených do několika modulů. Jde o zcela klíčovou část elektricky poháněného vozu, která přímo určuje jeho využitelnost a také představuje nejdražší náhradní díl. Potíž je v tom, že i akumulátory se opotřebovávají. Postihuje je takzvaná degradace, přičemž jde o daný a nevratný proces. Různými technickými opatřeními a samozřejmě reálným užíváním elektromobilu lze pouze ovlivnit to, jak rychlá degradace bude. Zastavit ji ale nelze. Vůbec největší problém ovšem představuje fakt, že elektromobily se staly fenoménem až v nedávné minulosti, a zatím chybí dostatek přesných údajů o tom, jak rychle vlastně akumulátory stárnou, o kolik přesně se zkracuje dojezd a kdy automobil přestává být smysluplně použitelný. Přesto (nebo právě proto) stojí alespoň základní teorie a dnes známé skutečnosti za pozornost.

„U akumulátorů existují dva základní druhy degradace,“ vysvětluje Jakub Čejka, technický ředitel společnosti IBG, zabývající se kromě jiného trakčními bateriovými systémy a dobíjecí infrastrukturou pro elektromobilitu, a pokračuje: „První je materiálová, kdy dochází k porušení samotné struktury akumulátoru, ke které je vázáno lithium. Druhá degradace je daná provozem. Akumulátor má rád stabilitu a klid. Čím špičkovější odběry a výkony, tím hůře pro něj.“

Při podrobnějším rozboru degradace zjistíme, že snižující se kapacita vyplývá ze ztráty iontů lithia a ztráty aktivních materiálů na katodě i anodě. Procesů přispívajících k těmto efektům existuje řada a velmi často vyplývají z chemických reakcí v jednotlivých článcích. Jedním z těch nejdůležitějších je efekt označovaný jako Solid-Electrolyte Interphase (SEI). Jde o jev, kdy v okolí anody existuje takzvaná oblast mezifáze pevného elektrolytu, způsobená reakcí anody s elektrolytem. Právě v této oblasti dochází k zachytávání iontů lithia. V průběhu času počet zachycených iontů roste, což způsobuje pokles kapacity daného článku.

Speciálně tento režim degradace nelze nijak zásadně ovlivnit, je dán časem. Umocňují ho ale také vysoké teploty nebo vysoké zatížení. Tyto faktory rovněž přispívají k rozkladu elektrolytu. Obecně platí, že vysoké teploty jsou pro akumulátory asi tím vůbec nejhorším, a proto je z uživatelského pohledu dobré se vyvarovat režimům, jež je způsobují. Řeč je o rychlonabíjení a o vysokém zatížení, tedy o vysokých dálničních rychlostech a intenzivní akceleraci. Automobilky to samozřejmě dobře vědí, a proto elektromobily využívají poměrně komplikovaný termomanagement zahrnující jak vyhřívání, tak chlazení akumulátoru (viz AR 5/’21). Otázkou ale je, jak ho ten který výrobce technicky vyřešil.

V tuto chvíli sice již existují studie zaměřené na degradaci akumulátorů, jenže ty pracují s prvními masově vyráběnými elektromobily. Oproti nim se současná produkce výrazně liší, a navíc starší modely neměly tak široké možnosti co do výkonu nabíjení. Pro úplnost, při rychlonabíjení dochází kromě zahřívání také k narušování základní struktury akumulátoru, protože uvnitř teče velký proud, ionty se pohybují v elektrolytu rychleji a do struktury narážejí. Stavba elektrod je zároveň jednou z oblastí ovlivňujících kvalitu akumulátoru, stejně jako přesné chemické složení článků. Konstrukce akumulátorů se liší také podle jejich určení. U automobilů jde zejména o to, zda jsou články určené pro hybridy, nebo pro elektromobily. V případě hybridů existuje požadavek na schopnost rychlejšího nabíjení a vybíjení. Právě tuto schopnost vyjadřuje veličina C-Rate. Například akumulátor s kapacitou 1 Ah bude při 1C poskytovat proud 1 A po dobu jedné hodiny. Při 5C se ovšem akumulátor s kapacitou 1 Ah dokáže vybít pětkrát rychleji (12 minut) a během této doby poskytne pětkrát větší proud (5 A). Přesně to je požadováno u hybridů, a proto mají jejich akumulátory tuto veličinu větší.

Proč k degradaci dochází?

Abychom lépe pochopili pojem „degradace akumulátoru“, je potřeba alespoň zběžně popsat princip fungování lithium-iontových článků. Ty obsahují dvě elektrody, označované jako katoda a anoda. Katoda je obvykle vyrobena z vrstveného materiálu bohatého na lithium, přičemž ionty lithia jsou uloženy mezi jednotlivými vrstvami. Rovněž anoda obsahuje několik vrstev a u akumulátorů typu Li-Ion je vyrobena z grafitu. Během nabíjení a vybíjení se ionty stěhují z jedné elektrody na druhou a zase zpět přes médium, kterému se říká elektrolyt. Kapacita článku pak odpovídá množství energie, již lze z tohoto přesunu iontů získat. Vše, co tento proces narušuje, přispívá k degradaci. Jde zejména o snižování počtu volných iontů, velikost plochy, na kterou se mohou zachytit, nebo třeba stav elektrolytu.

Dalším faktorem ovlivňujícím degradaci akumulátorů je počet nabíjecích cyklů. Podle odborníků ze společnosti IBG určuje každý výrobce článků počet nabíjecích cyklů trochu jinak. Někdy se za jeden cyklus bere nabití z dvaceti na sedmdesát procent, jindy mohou být procenta odlišná. Počet cyklů se ale rovněž přepočítává na takzvané „Full Cycles“. Zde se za jeden cyklus bere součet menších dílčích cyklů, jako když například čtyřikrát nabijete akumulátor o 25 % a čtyřikrát ho o 25 % vybijete. Každopádně čím více cyklů, tím menší kapacita akumulátoru. I proto automobilky omezují záruku na akumulátory počtem najetých kilometrů. Z tohoto pohledu se nezdá být dobrým nápadem příliš časté využívání elektromobilu nebo plug-in hybridu k napájení jiných zařízení (technologie V2G, Vehicle to Grid), protože se tím drahý akumulátor opotřebovává, i když automobil stojí. Na našem trhu toto zatím příliš časté není, jednou z mála výjimek je ale například plug-in hybridní Mitsubishi Outlander a Eclipse Cross.

Akumulátoru neprospívají ani extrémy, tedy nabíjení do 100 % a naopak absolutní vybíjení. Zde je negramotnost uživatele ochráněna skutečností, že takových stavů nemůže dosáhnout, ani kdyby chtěl. Akumulátory mají rezervu v kapacitě jak na horní, tak na spodní hranici. Využitelná kapacita je proto vždy nižší než ta udávaná. Velmi škodlivé je rovněž rychlé nabíjení do 100 % a rychlé vybíjení do nuly. Systém proto nabíjení od přibližně 80 % kapacity postupně zpomaluje a při vybíjení omezuje dostupný výkon. Například u elektrické Škody Citigo klesne výkon na 90 % už při dojezdu zhruba 60 km, což odpovídá nabití přibližně na 25 %. Následně se postupně aktivuje režim Eco, přestane být možné zapnout topení a v poslední fázi vybíjení začne systém dávat už jen 21 % svého maximálního výkonu. Sekundárním bonusem postupného omezování funkcí elektromobilu při větším vybíjení je prodloužení dojezdu. Automobilky obecně doporučují i přes přítomnost rezerv v kapacitě a dalších opatření pohybovat se s nabíjením vozu ideálně mezi uvedenými dvaceti a osmdesáti procenty. Dnes už je běžné, že si zákazník může nastavit hranici, kdy se má nabíjení ukončit, případně může nabíjení ukončit na dálku přes aplikaci v telefonu.

Zajímavou vlastností akumulátorů je také samovolné vybíjení, i když je vůz v nečinnosti. Při dlouhém stání by články teoreticky mohly pomalu dospět až do stavu hlubokého vybití a mohly by se tak poškodit. S dotazem na toto téma jsme se obrátili na zástupce automobilky Škoda. Podle jejich informací by vůz musel být odstaven celé roky, aby k něčemu takovému došlo, protože se akumulátor (minimálně u Škody Enyaq iV) vybíjí velmi pomalu. Při skladování se elektromobily kontrolují, ale údajně je to spíše kvůli dvanáctivoltové autobaterii. Také tu elektromobily využívají.

Akumulátor se ale může zdánlivě sám vybíjet i z jiného důvodu, přičemž nemusí hned jít o závadu. Jak upřesnil technický školitel značek Peugeot, DS, Citroën a Opel Dalibor Krejčík, pokud je elektromobil odstaven, jednou denně systém zkontroluje teplotu akumulátorů. Vůz totiž nepozná, zda zákazník odstavil automobil pouze na hodinu, nebo zda odletěl na tři týdny na dovolenou, a musí být v každé chvíli připraven k jízdě. Pokud jsou akumulátory podchlazené, ionty se v elektrolytu pohybují pomalu a automobil není schopen dát plný výkon. Systém tak v případě potřeby akumulátor trochu přihřeje, což ale současně urychlí jeho vybíjení během stání. Stejnou funkci potvrdili rovněž zástupci Fordu pro nový Mustang Mach-E. Nízké teploty jako takové ovšem na rozdíl od těch vysokých až tak škodlivé nejsou, pouze snižují praktickou použitelnost (například snižují rychlost nabíjení), což známe také od mobilních telefonů.

Až dosud byla řeč o degradaci článku jako takového, ztráta kapacity akumulátoru jako celku ovšem může souviset i s takzvaným balancováním článků. Ideální stav je ten, kdy se všechny články v celém akumulátoru nabíjejí a vybíjejí stejně a kdy stejně stárnou. V případě rychlonabíjení se mluví o tom, že se úroveň nabití jednotlivých článků „rozhazuje“. Systém pak nabíjení ukončí ve chvíli, kdy je jeden článek nabitý na 100 %. Pokud je ale úroveň nabití ostatních článků nižší, zdánlivě plně nabitý elektromobil zdaleka nedojede tak daleko, jak by měl, a akumulátor vypadá, že nemá kapacitu. Podle neoficiálních informací mají elektromobily omezený počet rychlonabíjecích cyklů následujících za sebou. Pokud ho uživatel překročí, vůz se začne automaticky nabíjet pomalu, aby si články srovnal. U současných elektromobilů se nám takovou informaci ověřit nepodařilo. Například u Škody říkají, že typ Enyaq iV dokonce umí vyrovnávat nabití jednotlivých článků jak během rychlodobíjení, tak i ve chvílích, kdy je odstaven a ani nemusí být připojen k síti. U starých elektromobilů PSA (Citroën C-Zero, Peugeot iOn) toto nahrazoval servisní zásah, kdy byl akumulátor velmi pomalu nabíjen a během tohoto procesu se články alespoň částečně srovnaly. Říká se tomu formátování. V případě Nissanu Leaf lze dosáhnout situace, kdy po dvou nabíjeních výkonem kolem 50 kW proložených rychlou jízdou může být to třetí (a další následující) pomalejší. Důvodem je riziko přehřátí článků. „Je potřeba uvést, že Nis­san Leaf není vybaven systémem teplotního managementu baterie (TMS), tedy nemá ve svém systému chlazení baterie (tento systém je přítomen u našeho jiného EV modelu). V praxi tedy vše vypadá tak, že naše akumulátory můžete dobíjet rychlonabíjecí stanicí dvakrát po sobě v krátkém čase, ale praxe z celé Evropy ukazuje, že zákazníci takové stanice používají maximálně jedenkrát za den a méně,“ uvádí ­Andrej Daniel z automobilky Nissan.

Zatímco u starých elektromobilů bylo nutné v případě poškozeného článku vyměnit celý akumulátor, u těch současných se pracuje s moduly. Podle specialistů ze společnosti IBG ale není zcela jisté, zda se u starších elektromobilů bude měnit jeden opotřebovaný modul za nový, když ostatní budou opotřebované jen o trochu méně. Problém je v tom, že pokud jeden modul bude mít kapacitu 60 %, ostatní 80 % a vy ten šedesátiprocentní vyměníte za zbrusu nový, bude se chovat stejně jako ty ostatní, takže místo 100 % bude využíváno také pouze 80 %. Otázkou zůstává, kdy se taková výměna ještě vyplatí, případně zda na trh pro podobné případy v průběhu času nedorazí nějaké levnější repasované články.

Ten vůbec největší otazník ale nakonec visí nad tím, jak rychle bude degradace akumulátorů v reálném světě probíhat. Společnost Geotab ve svých statistikách, zahrnujících kromě elektromobilů také plug-in hybridy, uvádí jako všeobecný průměr 2,3 % kapacity ročně. Jde o statistiku z loňského roku, obsahující přes šest tisíc elektrifikovaných automobilů. Její problém je ale v tom, že jako první si elektrifikované automobily pořídili zejména nadšenci, kteří obvykle vědí, jak se k nim chovat. U běžných uživatelů by mohla být degradace vyšší.

Přesto se dnes zdá, že v případě plug-in hybridů probíhá degradace přece jen rychleji (zhruba 4 % ročně). Pravděpodobně to bude tím, že na rozdíl od elektromobilů, kde je možné akumulátor používat ve stavu částečného nabití a vybití, je u plug-in hybridů více zatěžován, a pokud chce zákazník opravdu šetřit na provozních nákladech, musí ho častěji nabíjet a častěji ho také zcela vybije. Kromě toho je systém elektrického pohonu v těchto případech obvykle relativně slabý a celá elektrická část proto častěji podává plný výkon.

Ať už ale bude degradace 2 nebo 4 % ročně, jednou akumulátory vybavený vůz dospěje do fáze, kdy jejich degradace bude příliš velká. Je známo, že degradace neprobíhá lineárně. V prvních letech může být větší, pak následuje relativně stabilní fáze a pak dojde ke zlomu, kdy se degradace zase urychlí. V jaké fázi života elektromobilu tento moment nastane, to se dnes velmi špatně odhaduje. Automobilky obvykle dávají záruku na osm let, během nichž by kapacita neměla klesnout pod 70 %. Otázkou také zůstává, kdy ještě má opotřebený akumulátor smysl. „Poté, co akumulátor ztratí 20 %, je jeho kapacita velmi omezená a nemůže být dále plnohodnotně využíván. ­Pokud vím, není zde žádný bezpečnostní ­důvod, jde pouze o problém dojezdu,“ ­uvádí profesor Christian Ellersdorfer z University of Technology v rakouském Štýrském Hradci. Christian má mimochodem „na svědomí“ průzkum pro automobilky Daimler a Audi, podle kterého během stárnutí akumulátorů dochází ke zvyšování jejich mechanické odolnosti. Akumulátory se tak stávají pevnějšími a v konečném důsledku odolnějšími. Tato skutečnost by mohla být v budoucnu zohledněna při konstrukci.

Jestliže degradace akumulátorů postupuje u elektromobilů v průměru o 2 % ročně a kolem 70 % již dojezd přestává být smysluplný, pak bude možné bez potíží dnešní elektromobily provozovat patnáct let. Takovou dobu považují evropské předpisy za obecnou životnost automobilu. Ironií je fakt, že průměrné stáří tuzemského vozového parku je 15,28 roku. Jak na tom budou za patnáct let akumulátory současných vozů, to se neví, takže zůstatková hodnota (i použitelnost) elektromobilů coby starších ojetin je aktuálně velkou neznámou.

Na rozdíl od ojetých elektromobilů je budoucnost starých akumulátorů celkem zřejmá. Po jejich demontáži dostanou nový život například v podobě bateriových úložišť, na nichž kromě jiného pracuje také česká společnost IBG. Jejich provoz je stabilnější, takže zde ještě poslouží. Následně se budou recyklovat. EU má v plánu tlačit na zvýšení míry recyklace akumulátorů. Od roku 2030 by měly nové Li-Ion akumulátory obsahovat 12 % kobaltu, 4 % niklu a 4 % lithia původem z vysloužilých akumulátorů.

Degradace akumulátorů je problematika, která u současných hybridů a bateriových elektromobilů není zcela dořešena. Ostatně i samotní představitelé automobilek neoficiálně přiznávají, že realitu nakonec ukáže až čas, a to je vzhledem k rychlosti navyšování počtu automobilů osazených čím dál většími akumulátory poněkud znepokojivé.

Převzato z časopisu

Fotogalerie