Baterije za hibridne, „plug-in“ hibridne i električne automobile: postoje li razlike?

Donedavno, ova tema bi bila nezamisliva u automobilskom svetu. Međutim, u međuvremenu, baterije su dobile na važnosti kako je prodaja hibrida i električnih automobila višestruko porasla.

Na kraju smo 2020., kada na tržištu imamo na desetine hibridnih, „plug-in“ hibridnih i čisto električnih automobila, koji dolaze iz proizvodnih pogona tradicionalnih proizvođača, i koji se prodaju sve bolje, za razliku od njihovih konvencionalnih pandana.

Najbrži i najprestižniji serijski automobili Ferrarija, Porschea i McLarena su postali, a i dalje će biti hibridi, a sama elektrifikacija se više ne doživljava kao „tamo neka hipsterska stvar“.

S tim u vezi, danas imamo veliki broj vozila delimično ili u potpunosti pogonjenih uz pomoć električne energije. Baterije postaju dominantna pogonska sila u automobilskoj industriji, ali u isto vreme i glavni izvor zabrinutosti kod vozača kada je o dometu reč. Iz tog razloga, pred nama je temeljnije objašnjenje za svaki od tipova baterija prisutnih u današnjim vozilima.

Dva najbolje prodavana električna vozila na svetu su Nissan Leaf, s preko pola miliona prodatih jedinica do ove godine i Tesla Model S, koji je za sada pronašao preko 300.000 vlasnika. Slučajnost  ili ne, uglavnom i Leaf i Model S su pogonjeni litijum-jonskim baterijama, tako da ćemo ovu priču započeti s njima.

Litijum-jonske baterije (Li-ion)

Imajte na umu da nisu sve litijum-jonske baterije iste. Glavne razlike se odnose na njihovu primenu. Većina baterija u uređajima kao što su smartfoni, tableti i laptopovi, bazirana je na litijum-kobalt-oksidu (LiCoO₂), koji im pruža mnogo veću energetsku gustinu, ali uz neke nedostatke.

LiCoO₂ katode su podložnije takozvanom „toplotnom bekstvu“, koje se aktivira tokom prekomernog punjenja ili rada na visokim temperaturama. Drugim rečima, mogu da eksplodiraju kada se njima barata nekorektno, što je jedan od glavnih razloga zašto se litijum-kobalt-oksidne baterije baš i ne koriste u automobilima.

Za energetski intenzivniju primenu, poput one kod električnih alata, medicinskih mašina i većine automobila, tu su litijum-jonske baterije bazirane na litijum-gvožđ- fosfatu (LiFePO₄), litijum-mangan-oksidu (LMO) i litijum-nikl-mangan-kobalt-oksidu (NMC). Sve ove baterije raspolažu nešto nižom energetskom gustinom u odnosu na LiCoO₂, ali su bezbednije i imaju duži vek trajanja.

Većina modernih hibridnih i električnih automobila koristi NMC litijum-jonske baterije, ali to ne znači da su litijum-jonske jedinice generalno idealan put kojim kojim proizvođači automobila treba da idu, pogotovo što starije vrste baterija i dalje mogu biti upotrebljive ako su konstruisane kako treba.

Prednosti

Najizraženije prednosti litijum-jonskih baterija, oličene su u boljem odnosu između energije i mase, brzine punjenja i gotovo potpunog odsustva „memorijskog efekta“.

Veća energetska gustina znači da mogu da budu manje mase. Ovo ih čini pogodnijim za upotrebu u automobilima, jer niža masa podrazumeva širu autonomiju i bolje performanse, u isto vreme pružajući vozilu bolje vozne osobine u krivinama, što je „Ahilova peta“ većine električnih automobila, bilo da su sportskog tipa ili ne.

Brzina punjenja je očigledno nešto što je poželjno bilo o kojoj vrsti baterija da se radi, ali nemojte misliti da će vam korišćenje litijum-jonskih baterija nauštrb  drugih tipova doneti mnogo brže punjenje, jer su razlike u realnim uslovima izuzetno minorne.

Što se tiče „memorijskog efekta“, litijum-jonske baterije su očigledno najmanje pogođene ovim fenomenom. Ukratko, kod nekih vrsta baterija se postepeno smanjuje maksimalni energetski kapacitet sa svakim ciklusom punjenja. To se obično događa kada se frekventno pune nakon što su samo delimično ispražnjene. Baterije bazirane na niklu, u najvećoj meri pate od takozvanog „memorijskog efekta“, pri kojem se čini da baterije „pamte“ da vremenom imaju manji energetski kapacitet.

Mane

Daleko najveći nedostatak litijum-jonskih baterija se generalno vrti oko proizvodnih troškova, koji su mnogo veći nego kod ostalih vrsta baterija. Primera radi, u poređenju s baterijama na bazi nikla, one su za oko 40 odsto skuplje u proizvodnji, što je cena koja se prenosi na krajnjeg kupca. Imajući to na umu, treba znati da su se troškovi proizvodnje vremenom postepeno smanjivali za sve vrste baterija.

Iako se litijum-jonske baterije samostalno prazne mnogo nižom stopom od drugih, one su ipak podložne starenju, naročito kada se ne čuvaju u odgovarajućim uslovima. Ukratko, osim što trpe blagi pad napona sa svakim ciklusom punjenja, količina energije koju mogu zadržati vremenom se smanjuje bez obzira na sve. U automobilskoj upotrebi, životni ciklus kojim trenutno raspolažu se „vrti“ na oko 10 godina, iako nijedna od njih još nije testirana u dovoljnoj meri. Kod nekih litijum-jonskih baterija je registrovano smanjenje energetskog kapaciteta već posle godinu dana (upotrebe ili skladištenja).

Da rezimiramo, litijum-jonske baterije imaju najmanji broj nedostataka u poređenju s rivalskim rešenjima, ali su daleko od savršene solucije.

Nikl-metal-hidridne baterije (Ni-MH)

Najstariji tip takozvanih modernih baterija, nikl-metal-hidridne jedinice, i dalje se koriste u nekim hibridnim automobilima, mada su ih litijum-jonske u međuvremenu daleko nadmašile po brojnosti i širini upotrebe.

Mnogo jeftinije za proizvodnju od litijum-jonskih, nikl-metal-hidridne baterije takođe imaju neke prednosti i mane, što može biti odlučujuće prilikom „vaganja“ kupaca, šta zapravo očekuju od svog hibridnog ili električnog automobila.

Za razliku od litijum-jonskih, NiMH baterijama su neophodni vodonik, nikl i titanijum (ili sličan metal) za skladištenje energije. To rezultira mnogo nižim troškovima u procesu proizvodnje u poređenju s litijum-jonskim jedinicama, ali kako se sve više proizvođača automobila prebacuje na njih, ta ogromna razlika u cenama bi trebalo da se smanji.

Prednosti

Daleko najveća vrlina NiMH baterija je njihova trajnost. Modernije vrste baterija treba „maziti i paziti“ da bi potrajale duže, ali ako NiMH tretirate kako treba, one će uzvratiti veoma dugim vekom.

U uskoj vezi s njihovom trajnošću je nedostatak dodatnih mera predostrožnosti, potrebnih prilikom reciklaže, jer one poseduju samo malu količinu blagih toksina u poređenju s drugim baterijama. Takođe, visok sadržaj nikla u njima njihovu reciklažu čini isplativom.

Mane

Najveći nedostatak NiMH baterija predstavlja njihova niska energetska gustina, koja je oko 40 odsto niža u poređenju s litijum-jonskim jedinicama. Problem se delimično rešava njihovim uvećavanjem, ali to donosi dodatni problem u vidu povećane mase.

Kod hibrida, „plug-in“ hibrida i električnih automobila, baterije su na ozbiljnom ispitu tokom vožnje, a upravo tu neka od ograničenja NiMH baterija dolaze do izražaja. Ukoliko se brzo pune a zatim prazne pod velikim opterećenjem, imaju tendenciju da generišu visoku temperaturu, tako da je neophodan zaseban sistem hlađenja, koji takođe donosi dodatnu masu.

Ostali tipovi

Postoji velik broj drugih tipova baterija koje bi eventualno mogle da pronađu primenu u automobilima, ali nijedan od njih se nije nametnuo kao zaista revolucionaran do sada.

Kobalt-dioksidne, gvožđe-fosfatne (FePo), litijum-gvožđe fosfatne (LiFePO₄), litijum-vazdušne (Li-Air), litijum-polimerne (LiPo), Nikl-kobalt-manganske (NCM), nikl-kobalt-aluminijumske (NCA) i mangan-oksidne spinelne strukture (MnO), samo su neki od tipova baterija koje bi se mogle pojaviti u električnim ili hibridnim automobilima u budućnosti.

Kobalt-dioksidne baterije su na tržištu više od deset godina, služeći za napajanje mobilnih telefona, igračaka ili laptopova. Njihova dva glavna nedostatka, posebno u masivnijoj primeni su sklonost ka „toplotnom bekstvu“ i troškovi proizvodnje, ali generalno gledajući, blistaju kada je reč o energetskoj gustini.

Jedne od najstabilnijih i najjeftiijih baterija su gvožđe-fosfatne, ali one funkcionišu pri nižem naponu, tako da ih je potrebno poprilično da bi pokretale velik električni automobil.

Mada njihov naziv ne govori to eksplicitno, LiPo (litijum-polimer) baterije su zapravo još jedna forma litijum-jonskih jedinica. Glavna razlika počiva u činjenici da su litijum-jonski polimeri dizajnirani u takozvanom formatu „kesica“, koji sam po sebi donosi neke prednosti i neke nedostatke. Iz tog razloga su tek nedavno započele s upotrebom u automobilima, a najpoznatije je General Motorsovo rešenje (Ultium).

NCM i NCA baterije su i dalje daleko od toga da bi njihova proizvodnja bila dovoljno isplativa u smislu primene u automobilima, a i podložne su „toplotnom bekstvu“.

Jedna od najintrigantnijih novih baterijskih tehnologija je litijum-vazdušno (Li-Air) rešenje, koje koristi oksidaciju litijuma na anodi i redukciju kiseonika na katodi, u cilju indukovanja protoka električne energije. Dve glavne prednosti ovih baterija su velika energetska gustina, gotovo uporediva s benzinom, odnosno pet do 10 puta veća od aktuelnih litijum-jonskih baterija.

U svakom slučaju, još uvek nas deli nekoliko godina do popularizacije alternativnih tipova baterija, ali dobre vesti su što se ova tehnologija ubrzano razvija, tako da će zabrinutost u vezi s autonomijom biti deo prošlosti.

Vrele Gume

Priredio: Pavle Barta