Pogonski akumulatorji: razvojni lok

Od svinca do trdnega elektrolita.

Že od samih začetkov elektromobilnosti so prav akumulatorji tisti sestavni del, ki ga si v popolnoma idealiziranem svetu ne bi želeli imeti. Zakaj? Ker sami po sebi neposredno ne skrbijo za pogon vozila, zahtevajo veliko vgradnega prostora ter dodajo nezaželeno maso. Da o ceni niti ne izgubljamo besed. Ampak ker je svet, v katerem živimo, daleč od idealnega, so akumulatorji – ki jih sicer pogosteje, a strogo terminološko manj pravilno imenujemo kar baterije – eden najpomembnejših sestavnih delov sodobnih električnih vozil, pa če nam je to všeč ali ne.

Kaj pravzaprav pomeni akumulator? Slovar slovenskega knjižnega jezika pravi takole: akumulator je priprava za shranjevanje električne energije. Z osnovnim znanjem, ki ga imamo o tej temi, se s to definicijo verjetno strinjamo vsi, vendar pa, ko v razlago vpletemo še fiziko, postane zadeva nekoliko bolj zapletena. V fizikalnem smislu akumulator ne shranjuje električne energije neposredno, temveč jo pretvarja v kemijsko potencialno energijo, ki je posledica neravnotežja med elektrodama. Ob priklopu na električni krog se ta energija zaradi elektrokemijskih reakcij pretvori nazaj v električno energijo, pri čemer del energije preide tudi v toploto. Delovanje akumulatorja tako temelji na pretvorbi energije v skladu s prvim zakonom termodinamike, ki pravi, da se energija v zaprtem sistemu ne more ustvariti ali uničiti, temveč se le pretvarja iz ene oblike v drugo.

Morda zadeva zveni nekoliko kompleksno – in to zato, ker to pravzaprav tudi je. Kompleksna celo do te točke, da avtomobilski proizvajalci še danes z razvojem niso tam, kjer bi želeli biti. Če smo povsem realni, tam verjetno zaradi nenehno spreminjajočega se trga tudi nikoli ne bomo. Ampak nekje pa je vendarle treba začeti.

Fiat Panda Elettra (1990): prvi električni avtomobil v serijski proizvodnji

Ko govorimo o prvem električnem avtomobilu iz redne proizvodnje, večina pomisli na prvo generacijo Nissana Leafa, tisti, ki spremljajo avtomobilizem tudi čez lužo pa na GM EV1. Pravilen odgovor pa se ni rodil niti na Japonskem niti v Ameriki, temveč pri naših zahodnih sosedih – Italijanih. To je Fiat Panda Elettra iz leta 1990, ki pa je bila pravzaprav le precej drastična predelava obstoječega modela. Namesto klasičnega motorja z notranjim zgorevanjem jo je poganjal elektromotor, ki je razvijal za današnje razmere borih 9,2 kW, kar je zadoščalo za največjo hitrost 70 km/h. V nasprotju s sodobnimi električnimi avtomobili, ki menjalnikov praviloma ne potrebujejo, je Panda Elettra ohranila ročni menjalnik. Kljub spremembi pogona pa je osnovni namen Pande ostal enak: majhen, preprost in okreten avtomobil, ustvarjen za ozke italijanske ulice. Med letoma 1990 in 1998 so izdelali približno 325 teh električnih pionirčkov. Panda Elettra je z enim polnjenjem pogonskega akumulatorja zmogla prevoziti do 100 kilometrov, pri čemer je uporabljala dvanajst 6-voltnih svinčeno-kislinskih akumulatorjev – dva sta bila nameščena pod pokrovom motorja, ostalih deset pa za prvo sedežno vrsto.

Zaradi zajetnega akumulatorskega sklopa je Panda Elettra ostala brez druge sedežne vrste in uporabnega prtljažnega prostora

Pri tej tehnologiji se električna energija shranjuje v obliki kemijske energije zaradi reakcij med svinčevima elektrodama (katodo in anodo) ter elektrolitom (žveplovo kislino). Ob priklopu na električni krog se reakcije obrnejo in energija se pretvori nazaj v električno obliko. Ključno vlogo pri tem procesu imajo ioni v elektrolitu – v primeru svinčeno-kislinskega akumulatorja gre predvsem za sulfatne ione (SO₄²⁻) in vodikove ione (H⁺), ki se gibljejo med elektrodama. Pri praznjenju akumulatorja sulfatni ioni reagirajo tako s svincem na anodi kot s svinčevim dioksidom na katodi, pri čemer na obeh elektrodah nastaja svinčev sulfat (PbSO₄), hkrati pa se sproščajo elektroni, ki tečejo skozi zunanji tokokrog. Pri polnjenju se proces obrne – svinčev sulfat se ponovno razgradi v prvotni snovi, ioni pa se vrnejo v elektrolit. Gre torej za izrazito kemijski proces, kjer se aktivni materiali elektrod dejansko spreminjajo, kar je eden od razlogov za večje izgube, počasnejše polnjenje in hitrejšo degradacijo. Predstavlja torej eno najstarejših tehnologij akumulatorjev, ki se danes zaradi nizke energijske gostote, velike mase in slabše učinkovitosti ne uporablja več za pogon, pač pa se še občasno uporabljajo za napajanje 12 V tokokrogov v avtomobilih.

Tehnična skica svinčeno-kislinskega akumulatorja.

Nissan Leaf (2010): pravi trenutek za baterijsko revolucijo

Leto 2010 je prineslo vrsto tehnoloških prebojev. Uradno je bila dokončana izgradnja najvišje stavbe na svetu – Burj Khalifa –, ki ta laskavi naziv drži še danes, luč sveta je ugledala prva generacija Applovega iPada, Nissan pa je predstavil svoj prvi električni avtomobil – Leaf. Prav ta model predstavlja odgovor na vprašanje, kateri električni avtomobil je kot prvi dosegel resen komercialni uspeh. K temu uspehu je pomembno prispevalo dejstvo, da je Nissan na trg vstopil ob pravem času. To obdobje je pomenilo prelomnico, saj so se po naftnem šoku in finančni krizi ponovno začele zviševati cene goriv, zaradi česar so električna vozila postala ekonomsko bolj smiselna za širši krog kupcev. Hkrati so vlade v ključnih regijah z uvedbo subvencij in strožjih okoljskih regulacij jasno nakazale podporo elektrifikaciji prometa, kar je zmanjšalo tveganje za proizvajalce in kupce. Pomembno vlogo sta imela tudi zgodnja faza razvoja polnilne infrastrukture ter povečanje industrijskih investicij, ki so omogočile dejansko uporabo takšnih vozil v praksi. Nissan je tako izkoristil redko časovno okno, ko so se tržni, politični in infrastrukturni pogoji prvič hkrati uskladili v prid množični uvedbi električnih vozil.

V nasprotju s prejšnjimi poskusi izdelave električnih avtomobilov pa je Leaf prinesel tudi pomemben napredek pri akumulatorski tehniki, čeprav ni bil niti prvi niti edini na trgu s to tehnologijo – uporabljal je pogonski litij-ionski akumulator. Gre za tehnologijo, ki se še danes uporablja v tako rekoč vseh mobilnih napravah ter v številnih električnih vozilih. V sodobnem avtomobilskem svetu pa se izraz ‘litij-ionski’ uporablja vse redkeje, saj proizvajalci akumulatorje pogosteje označujejo glede na kemijsko sestavo katode – najpogosteje kot NMC (nikelj-mangan-kobalt), pri katerem prav razmerje med temi materiali določa kompromis med dosegom, zmogljivostjo, življenjsko dobo in varnostjo. Pogonski akumulator s kapaciteto 24 kWh danes ne deluje več posebej impresivno, vendar je bila njegova zmogljivost v primerjavi z najbližjim konkurentom, Mitsubishijem i-MiEV, večja za kar 50 %.

Potek kemijskih reakcij v svinčeno-kislinskem akumulatorju

Kako torej deluje in zakaj je boljša? Litij-ionski akumulator deluje na osnovi premikanja litijevih ionov med anodo in katodo skozi elektrolit. Do tu je načelo podobno kot pri svinčeno-kislinskih akumulatorjih, ključna razlika pa je v tem, da se energija shranjuje in sprošča brez večjih stranskih reakcij, kot so nastajanje plinov ali izrazite toplotne izgube, značilne za starejše tehnologije. V nasprotju z njimi ne temelji na raztapljanju in ponovnem nastajanju aktivnih snovi, zato je kemijsko stabilnejši ter omogoča večje število ciklov in hitrejše polnjenje.

Pri tem procesu vlogo nosilcev naboja prevzamejo litijevi ioni (Li⁺), ki se med praznjenjem premikajo iz grafitne anode, kjer so shranjeni med plastmi ogljikove (grafenske) strukture, skozi elektrolit proti katodi iz kovinskega oksida (na skici označen kot LiMO₂). Tam se ioni ponovno vgradijo v kristalno strukturo katodnega materiala, medtem ko elektroni istočasno tečejo po zunanjem tokokrogu in opravljajo koristno delo. Elektrolit pri tem ne sodeluje neposredno v kemijski reakciji, temveč deluje kot medij, ki omogoča transport ionov, kar pomeni, da se osnovna struktura elektrod med delovanjem bistveno ne spreminja – prav to pa je ključ do večje učinkovitosti, stabilnosti in daljše življenjske dobe v primerjavi s starejšimi sistemi. Zaradi višje energijske gostote, manjše mase in večje učinkovitosti je takšna zasnova bistveno primernejša za električna vozila kot tudi za večino baterijskih naprav.

Tehnična skica litij-ionskega akumulatorja

Litij-železo fosfatna tehnologija (LFP): preprosta, varna in trpežna rešitev

Danes, dobrih 15 let po tem, ko je Nissan s svojim Leafom spremenil naše dojemanje električnih avtomobilov, se je v avtomobilizmu marsikaj spremenilo, tudi na področju pogonskih akumulatorjev. Če ste v zadnjem letu prebrali test katerega od novejših električnih avtomobilov, ste morda v besedilu zasledili podatek, da ima avtomobil t. i. akumulator LFP. Vendar kaj to dejansko pomeni in kako se razlikuje od litij-ionskih akumulatorjev, ki so bili standard zadnjih 15 let?

LFP oziroma litij-železov fosfatni akumulator je, enako kot NMC, posebna vrsta litij-ionskega akumulatorja, pri katerem katoda vsebuje železov fosfat, medtem ko se energija – podobno kot pri drugih litij-ionskih sistemih – shranjuje z gibanjem litijevih ionov med anodo in katodo. Ključna razlika v primerjavi s klasičnimi litij-ionskimi akumulatorji je v kemijski sestavi katode, ki pri tehnologiji LFP zagotavlja večjo termično in kemijsko stabilnost, daljšo življenjsko dobo ter večjo varnost, saj je manj nagnjen k pregrevanju in toplotnemu pobegu.

Sestava akumulatorja LFP

Pri akumulatorju tipa LFP so nosilci naboja prav tako litijevi ioni (Li⁺), ki se med praznjenjem premikajo iz anode (najpogosteje grafita) skozi elektrolit, ki vsebuje litijevo sol (najpogosteje LiPF₆), proti katodi iz litij-železovega fosfata (LiFePO₄). Tam se ioni vgradijo v kristalno strukturo katodnega materiala, medtem ko elektroni istočasno tečejo po zunanjem tokokrogu in napajajo obremenitev. Pri polnjenju se proces obrne: zunanji vir napajanja ‘potisne’ litijeve ione nazaj v anodo, kjer se ponovno shranijo med plastmi grafita. Posebnost kemije LFP je, da se struktura katode med tem procesom le minimalno spreminja, kar zmanjšuje mehanske napetosti in razgradnjo materiala, posledično pa omogoča večje število ciklov, večjo varnost in bolj stabilno delovanje v primerjavi z drugimi litij-ionskimi sistemi.

Slabost takšne zasnove v primerjavi s tipom NMC je nižja energijska gostota, kar pomeni krajši doseg pri enaki masi akumulatorskega sklopa, vendar se to v praksi pogosto kompenzira z nekoliko nižjo ceno, večjo robustnostjo in možnostjo pogostejšega polnjenja brez večje degradacije.

Tehnična skica akumulatorja LFP

Polprevodniški akumulator (solid state battery – SSB): veliko plusov, kakšni pa so minusi?

Čeprav je tehnologija litij-železo-fosfatnih akumulatorjev bistveno omejila slabosti klasičnih litij-ionskih sistemov, to še vedno ni dovolj za nadaljnji razvoj elektromobilnosti. Za naslednji večji korak, ki bi lahko zaznamoval prihodnje desetletje, je bilo treba začeti na novo. Tako so nastali polprevodniški akumulatorji, ki namesto elektrolita (tekoči ali v obliki želeja) uporabljajo trdni elektrolit, skozi katerega se med polnjenjem in praznjenjem premikajo litijevi ioni med anodo in katodo. S tem se odpravijo številne težave klasičnih litij-ionskih akumulatorjev, kot so uhajanje elektrolita, nastajanje plinov in večje tveganje za toplotni pobeg.

Njihova glavna prednost je višja energijska gostota, saj omogočajo uporabo kovinskega litija kot anode, kar pomeni večji doseg pri enaki masi, hkrati pa večjo varnost in potencialno daljšo življenjsko dobo. Kljub temu pa je treba poudariti, da se tovrstni akumulatorji še ne uporabljajo množično, predvsem zaradi tehničnih izzivov, kot so slabša ionska prevodnost nekaterih trdnih elektrolitov, težave na stikih med materiali (nastanek razpok in posledično večji upor) ter visoki proizvodni stroški.

Tehniška skica polprevodniškega akumulatorja, ki temelji na prevajanju ionov Mn⁺

Pri polprevodniškem akumulatorju nosilci naboja ostajajo litijevi ioni (Li⁺), ki se med praznjenjem premikajo iz anode skozi trdni elektrolit proti katodi, kot prikazuje skica, pri čemer trdni elektrolit omogoča ionsko prevodnost in hkrati fizično ločuje elektrodi. Elektroni istočasno tečejo po zunanjem tokokrogu med tokovnima zbiralnikoma in opravljajo delo na obremenitvi. Pri polnjenju se proces obrne: ioni se vračajo proti anodi, kjer se ponovno nalagajo, medtem ko tokovni zbiralniki zagotavljajo učinkovit prenos elektronov med elektrodama in zunanjim vezjem. Ker elektrolit ostaja trden in ne sodeluje neposredno v kemijskih reakcijah, je sistem stabilnejši, hkrati pa uporaba kovinskega litija na anodi omogoča višjo energijsko gostoto. Poleg tega je tehnologija še v razvoju, zato industrija išče ravnovesje med zmogljivostjo, zanesljivostjo in cenovno dostopnostjo, preden bo primerna za široko uporabo v električnih vozilih.

Čeprav pravi polprevodniški akumulatorji še niso v množični uporabi, pa se v praksi že pojavljajo t. i. poltrdni (semi-solid-state) akumulatorji, ki predstavljajo prehodno rešitev med klasičnimi litij-ionskimi in popolnoma trdnimi sistemi. Ti uporabljajo hibridni elektrolit – delno trden, delno tekoč – kar omogoča boljšo varnost in stabilnost kot pri klasičnih baterijah, hkrati pa ohranja dobro ionsko prevodnost in združljivost z obstoječimi proizvodnimi procesi. V primerjavi s pravimi solid-state akumulatorji so sicer manj varni in ne dosegajo enake energijske gostote, vendar so tehnološko bistveno bližje serijski uporabi, zato jih nekateri proizvajalci že uvajajo kot realen korak proti popolnoma trdnim akumulatorjem.

V tem kontekstu se v industriji pojavlja tudi izraz ‘solid-core‘, ki pa ne označuje povsem nove tehnologije, temveč predvsem naprednejšo obliko poltrdnih akumulatorjev. Pri teh večino strukture sicer že predstavljajo trdni materiali (~95 %), vendar še vedno vsebujejo manjši delež tekočega elektrolita (~5 %), ki izboljšuje ionsko prevodnost in zagotavlja stik med komponentami. Izraz se zato pogosto uporablja predvsem kot opis akumulatorskih sklopov, ki so po zasnovi bližje polprevodniškim, vendar tehnično še ne dosegajo popolnoma trdnega elektrolita, kot ga zahtevajo pravi sistemi solid-state.

Pod črto

Da si vse skupaj lažje predstavljamo in postavimo v konkreten okvir, spodnja tabela primerja ključne lastnosti različnih tipov akumulatorjev, ki se danes pojavljajo v električnih vozilih. Na enem mestu ponazarja, kako se posamezne tehnologije razlikujejo v zmogljivosti, učinkovitosti in življenjski dobi – torej v lastnostih, ki v praksi odločajo o uporabnosti vozila. Te razlike hkrati pojasnjujejo, zakaj se nekatere rešitve uveljavijo hitreje kot druge in v katero smer se razvoj dejansko premika.

Tabela jasno pokaže, da ima vsaka tehnologija svoj kompromis: svinčeno-kislinski akumulatorji so sicer najslabši po specifični energiji in energijski gostoti, zato niso primerni za pogon vozil, vendar so poceni, robustni in zanesljivi, kar pojasnjuje, zakaj se še danes ponekod uporabljajo za napajanje 12-voltnih sistemov v sodobnih avtomobilih, tudi električnih. Klasični litij-ionski akumulatorji ponujajo najboljše ravnovesje med zmogljivostjo in energijsko gostoto, zato so postali standard, medtem ko akumulatorji LFP žrtvujejo del dosega v zameno za večjo varnost, daljšo življenjsko dobo in nižjo ceno. Polprevodniški akumulatorji ter njihove izpeljanke na papirju prekašajo vse ostale, vendar gre pri teh vrednostih večinoma še za razvojne ali celo laboratorijske ocene, zato jih v praksi še ne dosegamo. Ključna ugotovitev je, da ‘najboljši’ akumulator pravzaprav ne obstaja – izbira je vedno kompromis med energijsko gostoto, ceno, varnostjo in življenjsko dobo. In kljub rivalstvu med proizvajalci, kdo bo razvil najboljšega, bo tako najbrž ostalo še dolgo.

Če pogledamo celotno pot, od kod prihajamo, kje smo in kam gremo, postane jasno, da akumulatorji niso več zgolj nujno zlo, ampak trenutno predstavljajo osrednji element razvoja elektromobilnosti. Tehnologija se nenehno izboljšuje – od težkih in neučinkovitih svinčeno-kislinskih sistemov prek vsestranskih litij-ionskih do varnejših LFP in obetavnih polprevodniških rešitev –, vendar popolne rešitve še vedno ni. Prav v tem stalnem iskanju kompromisa med zmogljivostjo, ceno, varnostjo in trajnostjo se skriva tudi prihodnost električnih vozil.

Za konec še misel, ki bo vse nas, ljubitelje bencinskih hlapov, zaradi svoje neposrednosti nekoliko zabolela: elektromobilnost ni več vprašanje ‘če’, temveč ‘kako dobro’ in ‘kdaj’ bomo znali razviti akumulatorje in druge elemente, ki jo poganjajo.

Jure Rudolf

Foto: Nissan, CATL, Stellantis heritage, Donut, Openstax, Science, Tycorun, Merck