Podstawy działania akumulatora
Ogniwa wielokrotnego ładowania magazynują energię chemicznie i oddają ją jako energię elektryczną: naładowane jony przemieszczają się między dwiema elektrodami, a elektrony płyną przez obwód zewnętrzny. Większość samochodów elektrycznych wykorzystuje ogniwa litowo-jonowe; ogniwa sodowo-jonowe działają według podobnej zasady, lecz używają innych materiałów i jonów przenoszących ładunek.
Od ogniwa do pakietu akumulatorowego
Ogniwo jest najmniejszą kompletną elektrochemiczną jednostką magazynowania energii. Jedno ogniwo wytwarza zwykle tylko kilka woltów, dlatego samochód elektryczny łączy wiele ogniw, aby uzyskać napięcie i energię wymagane przez pojazd.
Ogniwa mogą być grupowane w moduły, a moduły instalowane w pakiecie akumulatorowym. W niektórych nowszych pakietach ogniwa umieszcza się bezpośrednio w konstrukcji pakietu, bez tradycyjnych obudów modułów.
Kompletny pakiet zawiera również połączenia elektryczne, układy chłodzenia lub ogrzewania, czujniki, styczniki, bezpieczniki, obudowę ochronną i system zarządzania akumulatorem.
Rozdział Pakiet akumulatorowy i jego konfiguracja wyjaśnia sposób łączenia i fizycznej integracji ogniw.
Co znajduje się wewnątrz ogniwa?
Typowe ogniwo litowo-jonowe ma pięć głównych rodzajów komponentów:
- Elektrodę ujemną
- Elektrodę dodatnią
- Elektrolit
- Separator
- Kolektory prądowe obu elektrod
Elektrodę ujemną powszechnie nazywa się anodą, a dodatnią — katodą. Nazwy te opisują ich role podczas rozładowywania akumulatora. W literaturze dotyczącej akumulatorów zwykle stosuje się te same nazwy także przy omawianiu ładowania.
Elektroda ujemna
Elektroda ujemna magazynuje jony litu, gdy ogniwo jest naładowane, i uwalnia je podczas rozładowywania.
Większość obecnych litowo-jonowych ogniw trakcyjnych wykorzystuje grafit jako główny materiał elektrody ujemnej. Niektóre dodają krzem, aby zwiększyć ilość litu, którą elektroda może zmagazynować. Lit jest utrzymywany w materiale elektrody, a nie przechowywany jako luźny metaliczny lit.
Elektroda dodatnia
Elektroda dodatnia uwalnia jony litu podczas ładowania i przyjmuje je podczas rozładowywania.
Jej materiał aktywny jest jednym z głównych czynników określających chemię ogniwa. Typowe rodziny katod stosowanych w samochodach elektrycznych to fosforan litowo-żelazowy (LFP), tlenek niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC) i tlenek niklowo-kobaltowo-aluminiowy (NCA).
Rozdział Chemia i komponenty ogniw bardziej szczegółowo wyjaśnia te materiały i związane z nimi kompromisy.
Elektrolit
Elektrolit umożliwia jonom przemieszczanie się między dwiema elektrodami.
Większość obecnych ogniw trakcyjnych wykorzystuje ciekły elektrolit zawierający sól litu rozpuszczoną w rozpuszczalnikach organicznych. Inne konstrukcje mogą wykorzystywać elektrolity żelowe, półstałe, polimerowe lub stałe.
Elektrolit przewodzi jony wewnątrz ogniwa. Elektrony powinny natomiast przepływać przez zewnętrzny obwód elektryczny.
Separator
Separator jest cienką, porowatą membraną umieszczoną między elektrodą dodatnią i ujemną.
Zapobiega ich bezpośredniemu fizycznemu kontaktowi, który mógłby spowodować wewnętrzne zwarcie. Jego mikroskopijne pory nadal umożliwiają jonom przepływ przez elektrolit.
Kolektory prądowe
Aktywne materiały elektrod są nanoszone na cienkie folie przewodzące, zwane kolektorami prądowymi. Folie przewodzą elektrony między materiałami elektrod a zaciskami ogniwa.
Typowe ogniwa litowo-jonowe wykorzystują zwykle folię miedzianą po stronie elektrody ujemnej i aluminiową po stronie elektrody dodatniej. (Departament Energii Stanów Zjednoczonych)
Jak działa rozładowywanie
Podczas rozładowywania ogniwa jony litu przemieszczają się z elektrody ujemnej do dodatniej przez elektrolit i separator.
Elektrony nie mogą podążać tą samą drogą wewnątrz ogniwa przez separator. Płyną od zacisku ujemnego do dodatniego przez obwód zewnętrzny. Ten przepływ elektronów dostarcza energię elektryczną do pojazdu. (Departament Energii Stanów Zjednoczonych)
Podczas rozładowywania:
- Elektroda ujemna uwalnia jony litu do elektrolitu
- Jony przemieszczają się przez separator w kierunku elektrody dodatniej
- Elektrony opuszczają elektrodę ujemną przez jej kolektor prądowy
- Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny
- Elektroda dodatnia przyjmuje powracające jony i elektrony
Akumulator samochodu elektrycznego dostarcza prąd stały. Elektronika mocy pojazdu steruje tą energią i przekazuje ją do silnika elektrycznego oraz innych systemów wysokonapięciowych.
Jak działa ładowanie
Ładowanie odwraca ruch jonów i elektronów.
Zewnętrzne źródło zasilania odbiera elektrony z elektrody dodatniej i doprowadza je przez obwód elektryczny do elektrody ujemnej. Jednocześnie jony litu przemieszczają się przez elektrolit z elektrody dodatniej z powrotem do ujemnej.
Podczas ładowania:
- Elektroda dodatnia uwalnia jony litu
- Jony przemieszczają się przez elektrolit i separator
- Elektrony są odbierane z elektrody dodatniej
- Układ ładowania dostarcza elektrony do elektrody ujemnej
- Elektroda ujemna magazynuje powracające jony litu
- Energia elektryczna zostaje przekształcona w zmagazynowaną energię chemiczną
Ten sam podstawowy proces zachodzi podczas hamowania rekuperacyjnego. Silnik elektryczny działa wtedy jako generator i zamienia część energii kinetycznej pojazdu w energię elektryczną, którą można zwrócić do akumulatora.
Ilustracja przedstawia wspólną zasadę działania ogniw litowo-jonowych i sodowo-jonowych. W ogniwach litowo-jonowych między elektrodami przemieszczają się jony Li⁺, a w sodowo-jonowych — jony Na⁺. Różnią się one materiałami elektrod, napięciem, elektrolitem i szczegółową konstrukcją.
Napięcie, natężenie, moc i energia
Terminy te opisują różne właściwości akumulatora:
- Napięcie (V) to różnica potencjałów elektrycznych, która wymusza przepływ prądu w obwodzie.
- Natężenie prądu (A) opisuje szybkość przepływu ładunku elektrycznego.
- Moc (kW) opisuje szybkość oddawania lub przyjmowania energii przez akumulator.
- Pojemność (Ah) opisuje ilość ładunku elektrycznego, którą ogniwo lub akumulator może przenieść.
- Energia (kWh) opisuje ilość pracy elektrycznej, jaką może zapewnić akumulator.
Moc elektryczną oblicza się z napięcia i natężenia:
Moc (kW) = Napięcie (V) × Natężenie prądu (A) ÷ 1,000
Przybliżoną energię znamionową akumulatora można obliczyć na podstawie napięcia i pojemności w amperogodzinach:
Energia (kWh) ≈ Napięcie znamionowe (V) × Pojemność (Ah) ÷ 1,000
Jest to przybliżenie, ponieważ napięcie ogniwa stale zmienia się wraz ze stanem naładowania, natężeniem prądu, temperaturą i chemią.
Akumulator wysokoenergetyczny może magazynować dużą ilość energii, natomiast akumulator dużej mocy może szybko ją oddawać lub przyjmować. Projekt akumulatora często wymaga kompromisu między gęstością energii, mocą, szybkością ładowania, trwałością, bezpieczeństwem, masą i kosztem.
Napięcie ogniwa i granice pracy
Napięcie ogniwa wynika z różnicy potencjału elektrochemicznego między materiałami jego elektrody dodatniej i ujemnej.
Napięcie nie jest stałe. Zmienia się podczas ładowania i rozładowywania ogniwa, a przebieg tej zmiany zależy od chemii.
Typowe wartości znamionowe obejmują:
- Około 3.2 V dla litowo-jonowego ogniwa LFP
- Około 3.6–3.7 V dla wielu litowo-jonowych ogniw NMC i NCA
Napięcie znamionowe jest wartością reprezentatywną używaną do obliczeń i porównań. Rzeczywiste napięcie ogniwa zmienia się w szerszym zakresie roboczym.
Każda konstrukcja ogniwa ma górną i dolną granicę napięcia. Ładowanie powyżej dozwolonego maksimum lub rozładowywanie poniżej minimum może uszkodzić ogniwo, przyspieszyć degradację albo stworzyć zagrożenie.
System zarządzania akumulatorem monitoruje napięcie ogniw i utrzymuje akumulator w dozwolonym zakresie pracy. Uwzględnia także natężenie prądu, temperaturę, stan naładowania i różnice między ogniwami.
Ogniwa litowo-jonowe i sodowo-jonowe
Ogniwa litowo-jonowe i sodowo-jonowe przemieszczają dodatnio naładowane jony między dwiema elektrodami, ale nie są technologiami zamiennymi.
Ogniwa litowo-jonowe przemieszczają jony litu, zapisywane jako Li⁺. Ogniwa sodowo-jonowe przemieszczają jony sodu, zapisywane jako Na⁺. Jony sodu są większe i inaczej oddziałują z materiałami elektrod, dlatego ogniwa sodowo-jonowe wymagają materiałów i konstrukcji opracowanych specjalnie dla sodu.
Większość ogniw litowo-jonowych wykorzystuje elektrody ujemne oparte na graficie. Ogniwa sodowo-jonowe powszechnie wykorzystują twardy węgiel. Różnią się również materiały elektrody dodatniej, napięcie, gęstość energii, zachowanie w różnych temperaturach, koszt i łańcuchy dostaw.
Zasada działania jest więc podobna, ale wynikające z niej właściwości ogniw mogą się znacznie różnić.
Dlaczego część energii zamienia się w ciepło
Ładowanie i rozładowywanie nie są idealnie sprawne. Każde ogniwo ma opór elektryczny i elektrochemiczny, dlatego część energii zamienia się w ciepło.
Opór i wytwarzanie ciepła zależą między innymi od:
- Chemii i konstrukcji ogniwa
- Temperatury akumulatora
- Stanu naładowania
- Natężenia prądu ładowania lub rozładowywania
- Wieku i kondycji ogniwa
Większe natężenie zwykle wytwarza więcej ciepła. Niska temperatura może również zwiększać opór i ograniczać zdolność akumulatora do ładowania lub oddawania mocy.
Efekty te wyjaśniają, dlaczego samochód elektryczny potrzebuje zarządzania termicznego oraz dlaczego moc ładowania, hamowanie rekuperacyjne i przyspieszenie mogą być ograniczane, gdy akumulator jest bardzo zimny, gorący, prawie pełny lub prawie pusty.
Dokładniejszy techniczny opis działania ogniwa litowo-jonowego przedstawia w przystępny sposób film kanału The Limiting Factor.