Zašto su baterije tako „očajne“ po hladnom vremenu?

Nije neka misterija da baterije „ne blistaju“ po hladnom vremenu, o čemu smo nedavno pisali

Međutim, da li ste se ikada pitali o tačnim razlozima zašto se to dešava? Između ostalog, ispostavlja se da baterije nisu evoluirale do te mere, kao što se to proizvođači automobila trude da nas ubede poslednjih godina.

Prvi zaključak bi bio da praktično sve kompanije koje u ponudi imaju neko baterijski pogonjeno vozilo, prilično zaostaju u oblasti dotične tehnologije, a indikativno je da mali broj ljudi uopšte želi da priča o tome.

Era električnih automobila je definitivno već započela, i uprkos ogromnom povećanju njihove prodaje, mi i dalje koristimo tehnologiju ne mnogo različitu od one koje je izumeo Alesandro Volta pre 220 godina.

Baš kao i homo sapiens, tako i moderna baterija 100 odsto svojih kapaciteta isporučuje pri umerenim temperaturama, uglavnom onim koje se vrte oko 20 stepeni Celzijusa. Uzgred, ljudska bića koja se koriste kao baterije u filmskom ostvarenju „Matriks“, ne predstavljaju puki trik zarad uzbudljivijeg zapleta, jer iza svega zapravo stoji nauka.

Ukoliko je ambijentalna temperatura pri kojoj baterija daje svoj maksimum 20 stepeni Celzijusa, a ona zatim poraste na 30 stepeni, efikasnost baterije, kada su performanse u pitanju, opada za 20 odsto. Ako se u kontinuitetu puni i prazni pri 45 stepeni Celzijusa, gubitak u performansama dolazi do vrtoglavih 50 odsto. Ipak, imajte na umu da se navedene brojke ne transformišu nužno u gubitak autonomije.

S tim u vezi, baterijski pogonjena vozila ne egzistiraju u praznom prostoru, na njihovu temperaturu utiče čitav niz spoljnih, pa čak i unutrašnjih faktora, što je razlog zbog kojeg neki, ali ne i svi proizvođači vozila, ugrađuju u njih integrisane sisteme kontrole temperature. Uprkos tome što i sami troše energiju, ovi sistemi pomažu regulisanju toplote baterija, da bi se optimizovao njihov kapacitet u dugoročnom smislu, kao i u isto vreme performanse u kratkoročnom kontekstu.

Nažalost, čak i ovi sistemi menadžmenta nisu dovoljni kada spoljna temperatura dramatično padne, što je razlog zbog kojeg se baterije muče tokom oštre zime. Ovo je praktično inherentna osobina svih modernih elektromobila, kao i drugih uređaja koji kao izvor energije koriste baterije.

Litijum-jonske jedinice, koje se u najvećoj meri koriste kao izvor energije u današnjim vozilima na električni pogon, „ne vole“ da se forsiraju ni kada je spoljna temperatura natprosečna, a kamoli kada je ispod tačke smrzavanja. Dobre vesti su da se one ipak mnogo bolje ponašaju u poređenju sa „starim dobrim“ olovo-kiselinskim ili NiMh baterijama, ali je problem i dalje prisutan. Nijedan „mejnstrim“ proizvođač automobila nije do sada otišao dalje od korišćenja aktuelne tehnologije prepune nedostataka. Hajde onda da uđemo u detalje, da vidimo konkretno o čemu se radi…

Hemija je ta koja stoji iza svega

Budući da su se aktuelni hibridi, „plug-in“ hibridi i čisto električna vozila prebacili mahom na litijum-jonske baterije,  koncentrisaćemo se na to kako litijum-joni rade na niskim temperaturama. Pre toga, utvrdićemo kako moderne baterije zapravo funkcionišu.

Odabrane u velikoj meri iz razloga što raspolažu energetskom gustinom koja nadmašuje hemiju konkurentskih rešenja  za oko dva i po puta, moderne litijum-jonske baterije mogu da pruže oko 150 Wh po kilogramu mase. To znači da one mogu biti manje i lakše u poređenju s rivalskim proizvodnima, što je jedan od njihovih „najjačih“ aduta.

One generalno sadrže grafitne anode i litijum kobalt oksidne katode, koje mogu biti zamenjene niklom ili manganom, uz tečni ugljenični elektrolit s izvesnim tipom rastvorene litijumove soli.

Kada se baterija isprazni, litijumovi joni se pomeraju s grafitne anode na katodu u takozvanom procesu interkalacije, koji uključuje kretanje elektrona u istom smeru pomoću spoljnog kola. U obrnutom procesu punjenja, litijumovi joni s katode se prostiru nazad ka grafitnoj katodi, praćeni istim elektronima koji koriste spoljno kolo.

Pojednostavljeno, reč je o elektrohemijskoj reakciji kojoj je neophodan izvestan broj varijabli da bi neprestano održavala stabilan nivo efikasnosti, jer su suprotnom može da se uspori, prekine ili čak razvije trajne kratke spojeve u nekim ćelijama.

Pri niskim temperaturama, performanse značajno padaju iz prostog razloga što se hemijska reakcija usporava, ali samo u slučaju pražnjenja baterije. Litijum-jonske jedinice zapravo mogu napajati automobil i na -40 stepeni Celzijusa, uprkos redukovanoj stopi pražnjenja, i samo u slučaju da su opremljene sistemom toplotnog menadžmenta. S druge strane, jednostavno nema načina da ih punite pri tako niskoj temperaturi, jer je usporenje preveliko.

Od 0 do 200 V za 220 godina

Mada svim baterijama pada efikasnost pri niskim temperaturama, radi se na tehnologiji koja bi to u budućnosti trebalo da ispravi. Nešto više od dva stoleća su prošla otkada je Alesandro Volta izumeo prvi Voltin elektrostatički stub, praktično prvu modernu bateriju.

Od 0 do 220 V za 220 godina ne zvuči kao neki poseban napredak, što je jedan od razloga zašto je Porsche prvi proizvođač automobila koji je kreirao elektromobil zasnovan na arhitekturi od 800 V. Viši napon u suštini podrazumeva tanje ožičenje, što u prevodu donosi konsistentnije performanse, smanjeno vreme punjenja, redukovanu masu i manje okupiranog prostora unutar vozila.

S tim u vezi, Taycan se „zaglavio“ s (uskoro) „arhaičnom“ litijum-jonskom baterijom, ali je Porsche među brojnim proizvođačima koji su u konstantnoj potrazi za poboljšanjima. Među najperspektivnijim je upotreba elektrolita koji sadrže jonske tečnosti, a koje su u suštini samo soli rastopljene na niskim do umerenim temperaturama. Za razliku od drugih elektrolita, oni nisu zapaljivi i poseduju toplotnu stabilnost na mnogo višim temperaturama.

Druga područja istraživanja u oblasti baterija uključuju litijum-vazdušne jedinice, koje koriste atmosferski kiseonik kao oksidaciono sredstvo, što ih čini mnogo lakšim od aktuelnih, litijum-jonskih hemikalija. Povrh toga, njihova specifična energija je uporediva s energijom benzina, što ih čini savršenim za električna vozila budućnosti.

Uz bolju specifičnu izlaznu energiju, litijum-sumporne baterije predstavljaju „tiket“ čije su šanse za dobitak još veće, tako da bi ovo rešenje moglo da revolucionizuje čitavu oblast. Međutim, njihov razvoj je još uvek u prilično ranoj fazi. Dok to vreme ne dođe, svi smo „zaglavljeni“ u tehnologiji staroj 30 godina, koja se naravno redovno unapređuje, posebno u pogledu troškova, ne toliko performansi po hladnom vremenu.

Vrele Gume

Priredio: Pavle Barta