Le redko mine dan brez novic o tehnologiji baterij za e-mobilnost. Litij-ionske baterije so še vedno prva izbira za prenosne naprave, vključno z eklektičnimi kolesi. Kakšna kemija stoji za omenjenimi baterijami?

Električna kolesa nam omogočajo, da se odpravimo v službo brez stresa zaradi zastojev ali potenja zaradi potiskanja pedal. Omogočajo nam prevoz tovora in pošiljk na zdrav in sklepom prijazen način, ki ga sicer z močjo lastnih nog ne bi zmogli. Tovrstni trg in ponudba se hitro širita, e-podporo pa smo vzeli skorajda za samoumevno. A stvar, ki nam olajša življenje, dejansko ni tako preprosta. Zato vam bomo ponudili vpogled v baterijo električnega kolesa.

Začetek vzpona litij-ionskih baterij

Ko so bile v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja predstavljene litij-ionske baterije, so označile začetek nove dobe. Čeprav so se mnogi proizvajalci sprva še vedno zanašali na nikljeve kovinske hidridne baterije, so močne litij-ionske baterije prehitele industrijo na začetku 21. stoletja. Kakšne so njene prednosti? Najprej velja omeniti nižjo težo, ki se je izkazala za bistveno pri prenosnih napravah, kot so prenosni računalniki, pametni telefoni, brezžične vrtne kosilnice, in nazadnje tudi električna kolesa in avtomobili. Torej imajo litij-ionske baterije predvsem visoko gostoto energije – sposobnost shranjevanja več energije pri relativno nizki teži. Trije znanstveniki (Stanley Whittingham, Akira Yoshino in John Goodenough), ki so postavili temelje te revolucionarne tehnologije shranjevanja energije, so bili oktobra lani nagrajeni z Nobelovo nagrado za kemijo. A to Goodenoughu ni bilo dovolj. Najstarejši dobitnik Nobelove nagrade želi začeti naslednjo revolucijo pri hranjenju energije s pomočjo trdnih baterij, ki bodo trajnejše, prenesle več ciklov polnjenja in ne bodo vnetljive. Trdne baterije še niso relevantne za uporabo v majhnih, prenosnih baterijah za e-kolesa in verjetno tudi v bližnji prihodnosti ne bodo.

Sestava baterije – velika tajnost

Ko govorimo o napravah za shranjevanje energije, jih običajno imenujemo baterije. Za razliko od nepolnilnih baterij (primarne baterije) se polnilne (sekundarne) baterije lahko polnijo in praznijo večkrat. V središču baterije je več elektrokemičnih celic, imenovanih galvanski elementi, povezanih v seriji. Ker posamezne celice proizvajajo relativno nizko napetost in kapaciteto, jih je potrebno povezati skupaj, da bi ustrezale pogojem, kakšne morajo izpolnjevati baterije E-MTB. Kapaciteta teh celic pa je ključna pri raziskovanju baterij, saj igra pomembno vlogo pri doseganju in zmogljivosti električno gnanih vozil. Čeprav se kapaciteta lahko poveča z več celicami, kar povečuje velikost in težo baterije, je prav tako vplivna kombinacija materialov elektrod in plasti v celicah. Iskanje optimalne kombinacije in mešanice materialov je zelo zahtevno: elektrodni material določa napetost izhoda med normalnim delovanjem in določa nazivno izhodno napetost električnega toka. Shranjena energija pa je odvisna od narave uporabljenih materialov. Poleg tega mora baterija preživeti veliko število ciklov polnjenja, zato se za stabilizacijske plasti uporabljajo različni materiali.

Največji dovoljeni tok polnjenja ali praznjenja se prav tako razlikuje glede na zasnovo baterije, prav tako pa tudi njena občutljivost na temperaturo. Če spremenite komponento elektrode, da povečate toplotno stabilnost, to lahko negativno vpliva na kapaciteto. Kakor koli že, splošno pravilo je, da bolj enakomerna je kemična sestava baterije, višja je njena zmogljivost in življenjska doba. Vendar, ker imajo najboljši koktajli le nekaj sestavin, ki se dobro ujemajo, ni presenetljivo, da je mešanica, ki jo uporabljajo proizvajalci, običajno dobro varovana skrivnost.

V polnilnih baterijah se energija shranjuje s pomočjo reverzibilnih elektrokemičnih procesov. Učinkovitost tega procesa je visoka (več kot 90%), kar pomeni, da se lahko skoraj vsa shranjena energija obnovi. Pri praznjenju (npr. med uporabo vašega e-kolesa) se energija, shranjena v kemični obliki, prek elektrokemične reakcije pretvori v električno energijo. Ta potencialna razlika baterije (napetost) povzroči tok, ko je vezje zaprto, kar poganja motor vašega eMTB.

Celica baterije je na obeh straneh vezana na vezje preko posebne kovinski plasti – tokovnega zbiralca. Elektrode baterije so povezane s tema dvema prevodnikoma.

Pozitivna elektroda – KATODA je v primeru aluminijaste plasti lahko narejena iz litijevih kovinskih oksidov (npr. litij-kobalt dioksid, LiCoO2). V primeru negativne elektrode – ANODE pa je baker povezan s plastjo čiste grafitne elektrode, naravnega ogljika z visoko energijsko gostoto. Kratek stik med anodo in katodo preprečuje plast ločilnega materiala (ločilo). Baterijska celica je napolnjena z izjemno čisto in brezvodno elektrolitsko raztopino, ki vsebuje ionsko prevodno litijevo sol.

Več o zgradbi baterije si lahko preberete na strani

Danes na trgu prevladujejo baterije iz litij – kobalt dioksida, vključno z baterijami za e-kolesa. Čeprav litij predstavlja le 1–1,5% uporabljenega materiala v bateriji, je ključni igralec v sistemu. Vsi reaktivni sestavni deli, negativne in pozitivne elektrode ter elektrolitska raztopina, vsebujejo litij kot posamezne pozitivno nabitih ionov (Li+), ki prenašajo električni naboj med negativnimi in pozitivnimi elektrodami.

Procesi polnjenja in praznjenja

Ko uporabljate motor svojega električnega kolesa, se baterija postopoma izprazni. Pri polni bateriji anoda iz grafita »zadržuje« odvečne litijeve ione. Ko je tokokrog sklenjen, kemična reakcija ustvari elektrone, ki tečejo skozi vezje in tvorijo tok. Spremembo naboja, ki jo povzročijo negativni elektroni, izenačijo pozitivni litijevi ioni, ki se vrnejo k katodi. Pot litijevih ionov omogoča elektrolit, vendar proces ustavi elektrone, ki morejo teči skozi vezje. Celoten proces poganja razlika v potencialu med anodo in katodo. V primeru zaprtega tokokroga, teče zgornje reakcija, če je krog razklenjen se reakcija ustavi.

V primeru polnjenja baterije, se s zunanjega vira uporabi napetost, ki ustvari presežek elektronov na anodi. Litijevi ioni zdaj tečejo v nasprotni smeri od katode do anode in se shranjujejo v anodi.

Elektrolitna raztopina služi kot transportno sredstvo za pozitivno nabite litijeve ione. Raztopina more biti čista, brez vode, saj je litij zelo reaktiven z vodo. To je eden od razlogov, zakaj naj bi uporabljali baterije visoke kakovosti namesto tistih neznanih proizvajalcev.  Trenutno je veliko pozornosti namenjeno ravno sestavi elektrolita. Fokus raziskav gre v smer menjave obstoječega organskega elektrolita z anorganskim, s čimer bi povečali gostoto energije in nazadnje dosegli večji doseg baterij. A stvari niso tako enostavne. Po elektrolitu se pretaka tok približno 4V. Ker vodni elektroliti pri tej voltaži tvorijo reaktivne pline, kar posledično vodi do zmanjšane življenjske dobe baterije, so topila na osnovi organskih topil (zmešana s prevodnimi solmi) še vedno srednja izbira. V času prvega polnjenja je pomembno, da elektrolit tvori stabilen sloj na anodi (iz grafita). Deluje namreč kot zaščitni sloj, ki preprečuje nadaljnje razkrojevanje anode med nadaljnjimi cikli polnjenja. A v popolni elektrolitski mešanici so potrebni še dodatki, ki zmanjšujejo viskoznost, omogočajo lažji prehod ionov in druge kemične spojine, ki recimo zmanjšujejo vnetljivost.

Vsi ti dejavniki poudarjajo pomembnost čiste tekočine za preprečevanje motenj med cikli polnjenja in praznjenja. Tudi separator mora biti zaradi preprečevanja kratkega visoko kakovostni. Očitno je, da je kakovost celičnih komponent izjemno pomembna, zato je ugleden proizvajalec ključen.

Vnetljivost litij-ionskih baterij?

Litij je lahko kovina, ki je že naravo reaktiven in samovnetljiv. Mejna temperatura lahko znaša med 150°C in 250°C (odvisno od baterije). Če je ta mejna vrednost presežena, litij reagira z drugimi sestavnimi deli baterijske celice in sproži še več toplote kar ustvari nenadzorovano termično reakcijo. Pri približno 300°C začne goreti tekoči elektrolit. V izogib tej reakciji, imajo litij-ionske baterije vgrajen elektronski nadzorno varnostni sistem (BMS), ki nadzoruje enoto in zagotavlja, da vse celice enako obremenjene. Navsezadnje je dobro upravljanje zagotovilo za dolgoročno dobro delovno okolje.

Čeprav proizvajalci baterij zagotavljajo kakovost svojega izdelka in uporabljenih komponent, priporočamo, da vseeno upoštevate nekaj splošnih priporočil:

  1. Uporabljajte zgolj baterije in polnilnike, ki so certificirani po določenem varnostnem standardu (CE standard) in vedno uporabljajte originalni polnilec za baterijo, ki zagotavlja ustrezen izklop.
  2. Baterije ne izpostavljajte ekstremnim temperaturam, idealno območje temperature je med 10°C in 30°C.
  3. Izogibajte se globokemu praznjenju: če e-kolesa dolgo ne uporabljate, morate odstraniti baterijo iz kolesa in jo shraniti ob delni napolnjenosti pri temperaturi približno 15°C. Če baterije ni mogoče odstraniti, morate kolo ustrezno shraniti. (Če je baterija prazna in jo ponovno napolnite po dolgem shranjevanju pri temperaturi pod 0 °C, se lahko celica razširi, kar lahko privede do deflagracije.)
  4. Če je bila baterija dlje časa shranjena v hladnem okolju, jo je pred ponovnim polnjenjem potrebno najprej počasi segreti na sobno temperaturo, (odstranite baterijo ali kolo postavite v toplejšo sobo). Pri prvem polnjenju ne puščajte baterije brez nadzora.
  5. Baterije ne polnite na vnetljivih predmetih (na primer lesene škatle ali podobno) ali blizu vnetljivih snovi (nafta).
  6. Ne uporabljajte poškodovane baterije. Obrnite se na svojega trgovca in jo zamenjajte z ustreznim originalnim modelom. Vsak nadzorno varnostni sistem (BMS) ne zna komunicirati z motorjem in v primeru napačne baterije lahko pride do zapletov .

Zakaj so litij-ionske baterije najboljša izbira za električna kolesa

Trenutno poteka tekma za najboljšo rešitev za prihajajočo električno mobilnost, tako na avtomobilskem in industrijskem področju, še posebej pa na področju stacionarnega shranjevanja energije. Avstralski znanstveniki so nedavno dosegli napredek pri baterijah na osnovi litija in žvepla, vendar je tehnologija še v povojih. Vidnejšo vlogo bodo igrale na področjih, kjer je teža pomembnejša od velikosti, (npr.: letalstvo), saj je njihova gostota energije veliko višja od litij-ionskih baterij, kar pomeni več energije za isto težo. Zato po vsej verjetnosti te tehnologije v bližnji prihodnosti ne bomo opazili v svetu električnih koles. Litij-ionske baterije še naprej ostajajo standard za majhne, prenosne in polnilne naprave za shranjevanje energije na električnih kolesih. Njihove prednosti so nesporne.

Z litij-ionskimi baterijami je zaradi visoke napetosti celice dosežena visoka energijska gostota in kapaciteta; rezultat pa je popolnoma zadostno območje delovanja. Kdo pa pravzaprav želi voziti 1000 km na dan? Prav tako se ponašajo z nizko izgubo kapacitete in jih je mogoče polniti neskončno krat.

Poleg tega litij-ionske baterije ponujajo dolgo življenjsko dobo zaradi minimalnega samopraznjenja in relativno širokega temperaturnega območja za shranjevanje in delovanje. So tudi razmeroma poceni za izdelavo. Litij-ionske baterije se nenehno razvijajo in postajajo vse močnejše, pri čemer na povečujejo svoje teže in obsega. Kaj je torej odločilni faktor? Lahko uganete odgovor: kemične sestavine in njihov vpliv na postopek polnjenja, kar nas pripelje nazaj k tem skrivnostnim receptom njihove sestave.

Z zadnjem času je bil dosežen tudi velik napredek pri recikliranju baterij. Nekateri dobavitelji energije in startup podjetja si prizadevajo doseči stopnjo recikliranja, ki presega 50% reciklabilnih elementov znotraj baterije (trenutno predpisano s strani EU). Obstajajo celo metode, ki omenjeno kvoto povečajo na več kot 80%.

Podpora e-mobilnosti po vsem svetu je povesem logična. Ne gre le za zmanjšanje emisij CO2, ampak tudi zato, da se manjše baterije električnih koles manj zahtevne glede virov, proizvedejo manj CO2, so cenejše in jih je mogoče učinkoviteje upravljati kot ogromne baterije za napajanje električnega avtomobila. Ko smo že ravno pri vseh teh (kemičnih) koktajlih; bi bilo morebiti priporočljivo, da vse skupaj nagradimo s hladnim pivom po vožnji s prijatelji. Boste tako 100% napolnjeni in osveženi.