Dlaczego akumulatory umierają?

Witam od razu chciałbym zaznaczyć że ten wpis może być trochę naukowy i luźny zarazem.
Może się pojawić terminologia której nie będę tłumaczył. Postaram napisać się to tak rzetelnie jak to tylko możliwe. W razie jakichkolwiek pomyłek proszę o maila z korektami.

Ok zaczynajmy

Co jest głównym czynnikiem śmierci akumulatora?

Tesla to przepiękny samochód, każdy się chyba na tej stronie ze mną w tej kwestii zgodzi. Leaf, może trochę mniej znany ale również jest to samochód godny uwagi. Co łączy te samochody? Oczywiście za mały zasięg. A co gdybym powiedział wam że wraz z użytkowaniem staje się on coraz mniejszy. To może martwić. Jako człowiek który poświęca swoje życie nauce nie dziwi mnie to, rozumiem to zjawisko. Natomiast przeciętny konsument nie wie, nie musi i nigdy nie powinien musieć o tym myśleć.

Naukowcy… to tak mądrze brzmi, zaczęli te zjawisko badać. Okazuje się że duża część uszkodzeń akumulatorów Li-Ion spowodowana jest – gorącym kalifornijskim latem. Tak akumulatory na bazie litu są niesamowicie wrażliwe na temperaturę. Idealna dla nich 20°C temperatura jest niemożliwa do osiągnięcia technologicznie na np. Nagrzanym do czerwoności parkingiem przed sklepem czy pustynną autostradą.

Tesla, udaje że sobie radzi. 8 Lat gwarancji na akumulator, regulacja temperatury ogniw, schładzanie latem podgrzewanie zimą. Nawet możemy ustawić godzinę wyjazdu aby samochód sam się ogrzał. Z Leaf’em tak ciekawie już nie jest. Zainstalowane są tam płaskie baterie (Nie 18650:)) W wyniku czego inżynierowie stwierdzili – brak termoregulacji.

Trochę nauki…

Okazuje się że temperatura nie jest głównym czynnikiem powodującym degeneracje ogniw. Przeprowadzono eksperyment w którym rozładowano i naładowano akumulatory 400 razy. (400 cykli) Akumulatory rozładowywane prądem 0.5C i ładowane 0.2C posiadały 50% pojemności nominalnej po 400 cyklach w 60°C. To cholernie gorąco. Natomiast akumulatory rozładowywane prądem 2.5C i ładowane prądem 1.5C posiadały…

90% pojemności nominalnej.

Co spowodowało tak dużą róznicę? Czas… (roz)+ładowanie większym prądem sprawiło że czas który baterie musiały spędzić w 60-cio stopniowych katuszach był mniejszy – znacznie mniejszy(około 5 razy).

Pokazało to że standardowa eksploatacja jest bardziej niszcząca niż olbrzymie prądy ładująco-rozładowujące.

Jeszcze więcej nauki

Dlaczego temperatura tak znacząco wpływa na działanie ogniw Li-Ion? Musimy wejść w tym momencie głęboko w strukturę ogniw. Zastanowić się nad ich działaniem. Jak działa bateria wiemy już między innymi z artykułu Jak działa akumulator, w którym opisuje działanie i procesy zachodzące w akumulatorze. Zatem dodatnie jony litu zmierzające w kierunku anody grafitowej chcą wchłonąć się jak gąbka w porowatą strukturę węgla. Co się dzieje natomiast gdy taki jon “Nie trafi” w “dziurę” ? Zaczyna się proces galwanizacji i reakcji chemicznych powodujących tworzenie się pasożytniczej warstwy związków “litowo-elektrolitowych” tutaj pozwolę sobie na takie luźne określenie reakcji zachodzącej na powierzchni a może i nie na powierzchni anody grafitowej. Co się dzieje !? Do rzeczy! Blokują się pory, tak jest i będzie można to zaobserwować pod mikroskopem elektronowym. Z czym to można porównać? Z zamoczeniem gąbki w jogurcie. Nic przyjemnego. Zaklajstrowane na ament.

Co powoduje ta cienka warstwa?

Mówiłem o gąbce mówiłem o jogurcie, teraz spróbujmy tą gąbką nabrać wody. Nie da się – jest zaklejona. Tak samo jak z wodą tak samo z dodatnimi jonami litu. Brak chłonności powoduje spadek pojemności ogniwa. Zbieranie się warstwy pasożytniczej powoduje również zatkanie porów w strukturze anody – śmierć baterii. Tworzy się w tym momencie gruba galwaniczna warstwa związków “elektrolito-litowych” tworząca grubą skorupę.

Co ma do tego temperatura o której mówiliśmy wcześniej ?

Przyczynia się ona do przyspieszenia reakcji tworzenia skorupy.

Co jeszcze powoduje przyspieszanie tej reakcji ?

Napięcie pomiędzy dodatnim i ujemnym biegunem.

W wypadku gdy przechowujemy swoją baterie przy napięciu 3.3V możemy zapomnieć o zauważalnych efektach reakcji zachodzącej w baterii. Przy 3.7V jest ona znikoma. Mordercza staje się gdy przekroczymy 4.03V to napięcie przy którym Nissan Volt stwierdził – STOP. Przeciętny użytkownik musi o tym wiedzieć. Tesla – “Ładuj do pełna tylko wtedy gdy jedziesz w podróż.”. Nie są to dokładne ich słowa. Natomiast chciałem ukazać problem. Trzeba o tym wiedzieć w trakcie eksploatacji własnych baterii.

Co robią producenci aby zapobiec zjawisku reakcji pasożytniczej?

Są mądrzejsi niż wszystkie rozumy świata jeśli w grę wchodzą pieniądze. A jeśli w grę wchodzą pieniądze to pojawia się tajemnica. Nie jest jeszcze na tyle źle, że nie mogę tutaj o tym napisać natomiast związków chemicznych nie poda wam nikt, jeżeli nie wyłożycie na stół walizki diamentów 🙂

Co się dzieje?

Bateriom potrzebne są sterydy, nie ulepszamy natomiast materiału katodowego, anodowego czy też obudowy. Ulepszamy elektrolit. “Sterydy i doping” dla elektrolitu znajdującego się w akumulatorach powodują:

• Zmniejszenie podatności na temperaturę
• Redukcję intensywności reakcji pasożytniczych
• Wzrost pojemności
• Wzrost liczby cykli

I wszystko co dobre co mogłoby się przydarzyć akumulatorowi Litowo-Jonowemu.

Rozwój materiałów anodowych

Ok bo powoli robi się nudno. Jak unikać jogurtu w porach naszej gąbki? Wziąć lepszą gąbkę! Anody litowo-tytanowe to w tym momencie strzał w dziesiątkę. Porowatość można zbadać za pomocą mierzenia powierzchni danej struktury. Porównując grafit do Li-Ti zyskujemy “100 square meters per gram, compared with 3 square meters per gram for carbon” czyli 30-krotny wzrost powierzchni. Akumulatory te charakteryzują się bardzo wysokim współczynnikiem Coulombowskim.

Współczynnik Coulombowski

Co to takiego? Zastanawialiście się kiedyś dlaczego ładując akumulatory na waszej ładowarce modelarskiej pojemność ładowania jest większa od pojemności rozładowania?

Weźmy teraz z tego stosunek i mamy współczynnik Coulombowski. Nie jest to odkrycie na miarę nagrody nobla natomiast to co niesie za sobą dany współczynnik na uwagę zasługuje.

Co jeżeli powiedziałbym wam, że wcale nie musimy zabić baterii żeby zobaczyć kiedy zginie ? Co jeżeli powiedziałbym wam że na podstawie pomiarów pojemności ładowania i pojemności rozładowania jesteśmy w stanie przewidzieć równomierny spadek ładunku a tym samym przewidzieć ilość cykli dla baterii po zaledwie 20-30 cyklach.

Nie tak prędko nie biegnijcie jeszcze po swoje ładowarki. Badanie pojemności w ten sposób wymaga niesamowicie precyzyjnej aparatury pomiarowej i kontrolowania temperatury i ciśnienia w trakcie ładowania. Ponadto dla pewności mierzymy jeszcze dodatkowo napięcie na ogniwie.

Na taki pomysł wpadli producenci Tesli.

Zdaję sobie sprawę, że w tej chwili czyta mnie około 10% osób które zaczęły czytać ten artykuł więc najwyższy czas kończyć te wywody.