Problematika baterií

Životnost, paměťový efekt, nabíjecí cykly

Jako každé elektronické zařízení, podléhá baterie procesu stárnutí a postupného opotřebení. Životnost baterie se odvíjí od mnoha faktorů a jedná se o problematiku velice komplexní. Životnost baterie závisí zejména na teplotě, způsobu a rychlosti vybíjení, na hloubce vybití a době setrvání v daném stavu. V neposlední řadě se životnost odvíjí od použitých materiálů a výrobci.

Během provozu bateriového úložiště dochází ke střídání tří hlavních stavů: nabíjení, vybíjení a samovybíjení. Samotný cyklus baterie je definován jako kompletní sekvence změnu směru toku energie, kdy baterie nejprve dodává uloženou energii, následně se nabíjí a znovu dodává. Tento proces může být ilustrován jako úplný cyklus a částečný cyklus, což je znázorněno v sekci B a C grafu. V reálných podmínkách však změny v toku energie často nenastávají pouze při úplném vybití nebo nabití, a proto se v praxi objevuje jev mikrocyklování (sekce D) a efektivního cyklování (sekce F). Počet cyklů se zejména uvádí ve vztahu k životnosti baterie, přičemž se výrobce za určitý počet cyklů zaručuje. Proto nejspolehlivějším způsobem hodnocení celkového počtu úplných cyklů je použití algoritmů, které posuzují celkovou životnost baterie.

Životnost baterií se udává v množství nabíjecích cyklů, tedy v počtu využití veškeré energie baterie bez ohledu na počet nabití. Životnost baterie lze prodloužit různými způsoby, které závisí na typu baterie. Nabíjení je reverzní chemická reakce oproti vybíjení. Množství chemických reaktantů se však ale stále zmenšuje a tím i napětí baterie, které po určité době klesne pod požadovanou mez a využití baterie již nadále není možné. U baterií obsahujících nikl se projevuje tzn. paměťový efekt. Baterie, která je vybitá jen z části a je nabita na plnou úroveň si hodnotu kdy začalo nabíjení zapamatuje a příště bude vydávat proud jen do doby, kdy začalo nabíjení. Lithiových baterií se tato problematika netýká, avšak jejich značnou nevýhodou je hrozba samovznícení. Životnost lithiových baterií je ohrožována zejména podbíjením a přebíjením baterie, kdy vznikají na elektrodách nevratné změny, které omezují normální reakce v baterii. 

DoD (Depth of discharge) a SoC (State of Charge)

Stav nabití (SOC), nebo hloubka vybití (DOD), jsou veličinou určující aktuální množství energie obsažené v baterii ve vztahu k její celkové kapacitě baterie, přičemž platí rovnice SOC = 100 − DOD (%). Tyto parametry mají přímý vliv na životnost baterie, jelikož provozování baterie v extrémních úrovních, ať už velmi nízkých nebo velmi vysokých, může mít negativní dopad na její účinnost, výkon a životnost. Obecně platí, že vyšší hloubka vybití umožňuje získat z baterie více energie, avšak může to negativně ovlivnit celkovou životnost baterie. Většina chemických baterií je citlivá na úroveň SoC, proto provozní cykly, při kterých dochází k dosažení minimálních hodnot provozního napětí, jsou obecně považovány za značně škodlivé pro většinu bateriových systémů. Vliv na životnost baterie má také doba, po kterou baterie zůstane v hlubokém vybití. Obecně je považováno za technicky rizikovější, pokud je baterie vybita na nízké úrovně v důsledku samovybíjení, než když je vybita vysokými proudy, protože v druhém případě může dojít k rychlému nárůstu napětí po odstranění zátěže. 

Nabíjení

Nabíjení je reverzibilní reakce vybíjení, tzn. baterie má při nabíjení Anodu a Katodu na opačném místě než pří vybíjení. Nabíjení je často také velmi rizikový děj, protože probíhající reakce v závislosti na velikosti napětí a proudu baterií zahřívají. Vysoká teplota může způsobit nevyžádanou reakci spojenou s např. výbuchem baterie. 

Vnitřní odpor

Vnitřní odpor je veličina ovlivňující maximální výkon, který můžeme ze zdroje čerpat. Ideální baterie má dle definice vnitřní odpor nulový. V reálném provozu se však postupem času vlivem degradace elektrochemické součástky vnitřní odpor zvyšuje, což vede ke zvýšení ztrátového výkonu. Baterie s velkým vnitřním odporem má vysokou vnitřní spotřebu energie a dochází k zahřívání během nabíjení a vybíjení, což má za následek zrychlené stárnutí a degradaci baterií společně s omezením rychlosti nabíjení a vybíjení. 

Samovznícení baterií

Tato problematika se týká hlavně lithium-iontových baterií, které jsou konstruované, aby byly, co nejlehčí a nejkompaktnější. Značnou nevýhodou je avšak, že kvůli úsporným opatřením je náchylnější k poškození mechanickými, tepelnými a jinými vnějšími vlivy. Jakmile do lithium-iontové baterie vnikne vzduch, lithiové kationty jsou s ním vysoce reaktivní a dojde k samovznícení, při kterém může baterie dosáhnout teploty až 3000 °C. 

Ztráta kapacity

Kapacita baterie, udávána v kWh, vyjadřuje množství elektrické energie, kterou je baterie schopná uskladnit. Specifikace konkrétní baterie obvykle obsahuje informaci o jmenovité kapacitě, která označuje celkové množství energie, jež baterie může dodat při standardním cyklu nabíjení a vybíjení za laboratorních podmínek, tj. při optimální teplotě a vlhkosti prostředí. Avšak reálná kapacita se může lišit v závislosti na mnoha faktorech, jako jsou aktuální provozní teploty, vlhkost, a také rychlostí, s jakými je baterie nabíjena a vybíjena 

Může být způsobena přebíjením, absolutním vybitím, extrémní teplotou, mechanickým vlivem. Baterii degenerují více vysoké teploty. Nízká teplota (do cca 50 °C) zvyšuje vnitřní odpor a omezuje kapacitu baterie. Více ničivé je nabíjení baterie v nízkých teplotách, kdy na elektrodách vznikají vrstvy materiálu, který znemožňuje elektrolýzu. Vysoké teploty společně s vlhkostí způsobují korozi a je možný unik elektrolytu do okolí.  

Samovybíjení baterií

Kvůli chemickým reakcím. Záleží na typu baterie (Li-ion 2-3%/měsíc, NiCd 15-30%/měsíc). S rostoucí teplotou se intenzivnější i samovybíjení. Lze tak dosáhnout podbití baterie, jejímž důsledkem je nenávratné poškození baterie. 

Recyklace a vliv na životní prostředí

V kontextu ochrany životního prostředí je nezbytné věnovat pozornost ekologické likvidaci komponent, která vyžaduje splnění přísných kritérií. K tomu, abychom zamezili budoucímu nedostatku surovin, je potřeba řešit technickou a ekonomickou stránku recyklačních procesů. Lithium-iontová baterie, která se již po ztrátě části své původní kapacity nedá použít k primárním účelům (trakční nebo podpůrné účely), lze využít v aplikacích, ve kterých nejsou kladeny tak vysoké požadavky na technické vlastnosti baterie. Sekundární život baterií může spočívat ve využití ve více stacionárních aplikacích, kam například patří dodatečné úložiště elektrické energie, záložního zdroje nebo zdroje pro start ze tmy. Bateriová jednotka může ve zmíněných aplikacích sloužit dalších několik let. Po skončení životního cyklu baterie se za použití mechanických a chemických procesů vyseparují jednotlivé drahé kovy, které jsou nedílnou součásti baterie. Recyklované materiály jsou následně použity pro výrobu nových součástek. Překážkou recyklace baterií však zatím zůstává nákladnost celého procesu. Lithium získané recyklací je totiž pro výrobce dražší než lithium, které lze získat klasickou těžbou. 

Nebezpečí pro člověka

Může jít o úrazy spojené se samovznícení, či s výbuchem baterie, nebo také hlavně u dětí o požití baterie. Tato baterie se často zasekne v jícnu a nejdříve začne popalovat vnitřek jícnu a může ho až zcela propálit. Je však možný také unik elektrolytu (často silné kyseliny, či zásady) který má za důsledek rozleptání různých orgánů. 

Zdroje

CENEK, Miroslav. Akumulátory a baterie. Praha: STRO.M, 1996.  

MIKSCH, L. Elektrické přístroje na motorových vozidlech: akumulátory : teorie, seřízení a osvětlování, poruchy. Praha: nákl. vlast., 1933. 

ENGE, Per; ENGE, Nick a ZOEPF, Stephen. Electric vehicle engineering. New York: McGraw Hill, [2021]. ISBN 978-1-260-46407-8. 

BERG, Helena. Batteries for electric vehicles: materials and electrochemistry. Online. Cambridge: Cambridge University Press, 2015. ISBN 9781316090978. [cit. 2023-10-08]. 

SPELLMAN, Frank R. The science of electric vehicles: concepts and applications. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2023. ISBN 978-1-032-36628-9. 

 [x] HRZINA, Pavel. Cykly a životnost baterie. Online. TZB info. 2020. Dostupné z: https://oze.tzb-info.cz/akumulace-elektriny/21096-cykly-a-zivotnost-baterie. [cit. 2023-12-13].