Lithiové akumulátory velkých výkonů a jejich použití

Lithiové akumulátory velkých výkonů a jejich použití

Ing. Tomáš Cetl, Elektrotechnická fakulta ČVUT v Praze

Problematika úschovy elektrické energie je stejně stará jako elektrotechnika. Prvními zdroji elektrické energie byly galvanické články. Brzy po realizaci prvních typů primárních článků byla objevena možnost reverzibilního procesu ukládání elektrické energie do galvanických sekundárních článků – akumulátorů. Akumulátory olověné a nikl-železové, později nikl-kadmiové použitelné v praxi jsou známy déle než sto let a jejich základní konstrukční uspořádání se u článků větších ampérhodinových kapacit příliš nezměnilo, navzdory intenzivnímu celosvětovému výzkumu v této oblasti. Použitím nových výrobních technologií, zlepšením vlastností základních materiálů a využitím nových materiálů pro separátory a nádoby článků se podařilo poněkud zmenšit měrnou hmotnost a omezit samovybíjení článků i zlepšit pohodlí obsluhy a zvýšit bezpečnost – ale to je v podstatě všechno. Princip se nezměnil, základní materiály také ne. Nejpodstatnější nedostatek, tj. velmi nepříznivý poměr množství uložené energie k hmotnosti a objemu akumulátorů, přetrval.

Historie vývoje a využití akumulátorů

Původně byly akumulátory zmíněných typů používány především ve statických aplikacích, převážně jako zálohovací zdroje pro případ výpadku primárního zdroje napájení, např. v nemocnicích, pro nouzové osvětlení budov, v dolech apod. V těchto aplikacích nejsou velká hmotnost a značné rozměry příliš na překážku. V trakci se používaly akumulátory především na železnici (obr. 1) pro osvětlení osobních vozů a lokomotiv a u provozních a zabezpečovacích zařízení. Ani tady větší hmotnost nevadila.

Obr. 1. Uplatnění akumulátorů v trakci

Začátkem dvacátého století se objevila další možnost použití, a to pro elektrický pohon automobilů. Vzhledem k potřebě velkého akumulovaného množství energie pro jízdu vozidla za běžných provozních podmínek byla hmotnost a některé další vlastnosti tehdy vyráběných akumulátorů tak nevýhodné, že se tato oblast použití nakonec omezila jen na vozidla, která jezdí krátké trasy a pomalu, tj. např. akumulátorové vozíky (tzv. ještěrky). Společnou vlastností akumulátorů ve všech zmíněných aplikacích je potřeba uložení velkého množství energie; to umožňují pouze akumulátory velkých rozměrů.

V druhé polovině minulého století se objevily požadavky na články malých ampérhodinových kapacit a rozměrů. Intenzivní vývoj těchto zdrojů elektrické energie byl vyvolán strukturální změnou v oblasti aktivních elektronických součástek. Náhrada elektronek tranzistory a posléze integrovanými obvody umožnila výraznou miniaturizaci elektronických obvodů, a tím i možnost překonstruovat množství dosud stacionárních aplikací do přenosných verzí. Tím vznikl tlak na vývoj primárních a zejména sekundárních článků malých rozměrů a hmotností, a to v provedení, které by dovolovalo práci v libovolné poloze a zaručovalo bezpečné používání. Tak vznikly alkalické primární články a hermetizované verze nikl-kadmiových (NiCd) a posléze nikl-metal-hydridových akumulátorů (NiMH). Pro zapouzdření článků byly zvoleny shodné tvary a rozměry pouzder jako u dosud běžných primárních zinek-chloridových článků. Zejména dosažené parametry akumulátorů NiMH umožnily jejich použití v mobilních telefonech, vysílačích, přenosných počítačích, měřicích přístrojích, pohonech ručního nářadí apod. Technologie výroby těchto článků je odlišná od technologií používaných pro články velkých ampérhodinových kapacit. Deskové uspořádání elektrodového systému velkých článků je nahrazeno technologií stáčení elektrodového systému, včetně separátorů, do válcového svitku, který je vložen a kontaktován do obvyklého tvaru článků velikostí AAA, AA, C a D, popř. násobků jejich rozměrů. Pro některé speciální aplikace jsou vyráběny články zvláštních plochých tvarů. Výhodou hermetizovaných článků se svinutými elektrodami je několikanásobně větší možnost nabíjení a vybíjení velkými proudy i poměr poměrné hustoty energie k hmotnosti a objemu článků v porovnání s klasickým provedením velkých článků. Nevýhodou je vyšší samovybíjení a menší počet pracovních cyklů. Největší válcová pouzdra (3/2 D), tj. 1,5krát prodloužené pouzdro velkého monočlánku, umožňují dosáhnout u akumulátorů NiMH ampérhodinové kapacity článku přibližně 10 A·h. Ale jako u ostatních válcových pouzder větších průměrů neumožňují vzhledem k obtížnému odvodu tepla nabíjení příliš velkými proudy.

Lithiové akumulátory

Významným pokrokem v oblasti ukládání elektrické energie bylo vyvinutí bezpečných lithiových akumulátorů. Lithium jako prvek s vysokou hodnotou elektrochemického potenciálu je předmětem zájmu vývojových pracovníků pro vývoj primárních i sekundárních článků již přes padesát let. Problémy s použitím kovového lithia v praxi vyplývají z jeho mimořádné oxidační aktivity. Při styku lithia se vzdušným kyslíkem dochází k hoření, které podle vlastností okolí může mít až charakter výbuchu. Tuto nepříjemnou vlastnost je možné eliminovat buď důslednou ochranou povrchu, nebo použitím méně aktivních sloučenin lithia. V současnosti jsou nejvíce rozšířené akumulátory lithium-iontové a lithium-polymerové s ampérhodinovými kapacitami do 2 až 4 A·h. Jejich použití je typické pro mobilní telefony, kamery, notebooky, vysílačky a v poslední době i pro ruční nářadí. Při průměrné velikosti vybíjecího napětí 3,2 V je k dispozici energie 6 až 13 W·h.

V porovnání s akumulátory NiMH umožňují lithiové akumulátory uložit dva- až čtyřikrát více energie do stejného objemu. Lithium-iontové-polymerové typy mají elektrolyt v gelové nebo tuhé formě a je možné je vyrobit jako ploché články v tloušťkách již od několika desetin milimetru téměř libovolného tvaru podle potřeb příslušné aplikace. Typickým příkladem je jejich použití v mobilních telefonech s články o kapacitě 800 až 2 000 mA·h. Zatím spíše výjimečné je použití článků s kapacitami 2 až 8 A·h, např. pro přenosné ruční nářadí, kde nahrazují dosud používané nikl-kadmiové články, což umožňuje zmenšit rozměry a hmotnost nářadí.

Akumulátory pro pohon elektromobilů

Zcela jiné požadavky na vlastnosti akumulátorů lze nalézt v další perspektivní aplikační oblasti, a to v elektrických pohonech velkých mobilních zařízení, především v elektromobilech. Elektrický pohon v osobním automobilu může být řešen jako hlavní (a jediný), tj. v případě klasického elektromobilu, nebo jako hybridní pohon, kde může být elektrický pohon jak dominantním, tak pomocným zdrojem tažného momentu. V závislosti na použité variantě se liší potřeba energie pro provoz vozidla, a tím i kapacita akumulátorů. Pro velmi hrubou orientaci o potřebné velikosti akumulované energie může posloužit údaj, že při průměrné rychlosti 60 km/h a hmotnosti vozidla 1 000 kg je zapotřebí střední výkon asi 12 až 16 kW, špičkový (v městském provozu) asi 30 až 40 kW. Z toho pro akční rádius vozidla v délce trvání tři hodiny vyplývá potřeba asi 50 kW·h elektrické energie. Při hybridním pohonu se energetické nároky sníží na 10 až 15 kW·h.

Z uvedených hodnot je zřejmé, že při napětí jednoho článku 3,6 V je pro tyto pohony třeba řadit články do série. K omezení ztrát ve vodičích rozvodů, v měničích i ve vinutí motorů je pro pohony vhodné volit napětí vyšší než palubní (42 V, resp. 12 V) – běžně používané hodnoty jsou 100 až 300 V. Pro předpokládanou potřebu energie 50 kW·h z toho vyplývá potřebná kapacita akumulátorů 500 až 170 A·h, pro hybridní řešení 100 až 60 A·h. Dalšími výpočty lze zjistit, že pro klasické řešení by byla hmotnost olověných akumulátorů asi 500 kg a lithiových asi 160 kg (u hybridního pohonu úměrně méně). Po těchto rámcových úvahách lze snadno dojít k závěru, že použití lithiových akumulátorů je významným přínosem, ale v blízké budoucnosti je možné u automobilů spíše očekávat hybridní pohony, a tudíž i potřebu článků s kapacitou 50 až 100 A·h spojených do akumulátorových baterií s napětím větším než 100 V, nejčastěji okolo 300 V (v některých realizovaných aplikacích i více). Vyšší napětí umožňuje použití článků s nižšími ampérhodinovými kapacitami, na trhu dostupnějších, a současně menší proudy ve výkonové části palubního rozvodu.

Obr. 2. Baterie firmy GAIA 288 V, 7,5 A · h

Co se týče článků velkých kapacit, nejsou lithiové články na světovém trhu příliš běžným výrobkem. V této kategorii stále dominují olověné akumulátory, které jsou bezkonkurenčně nejlevnější a v mnoha aplikacích není na závadu ani jejich větší hmotnost. Komerčně dostupné jsou lithium-iontové-polymerové články do 60 až 100 A·h. Technologie výroby je většinou založena na stáčení svitkového svazku z kontinuálně vyráběného elektrodového pásu, což teoreticky umožňuje dosažení svitku s libovolnou kapacitou. Z hlediska praxe je však problémem kontaktování elektrodového systému a zajištění rovnoměrného proudového zatížení celé struktury článku. Další omezení rozměrů článku je závislé na možnostech chlazení při nabíjecím a vybíjecím procesu. Nicméně i za těchto omezujících podmínek jsou parametry dostupných článků takové, že je možné uvažovat o jejich využití v hybridních pohonech automobilů. Pro dosažení potřebného napětí akumulátorové baterie musí být v sérii řazeno velké množství článků. Jako příklad je možné uvést baterii firmy GAIA s napětím 288 V a kapacitou 7,5 A·h s osmdesáti články řazenými v sérii (obr. 2). Projekt byl státní zakázkou pro Bundeswirtschaftsministerium (Spolkové ministerstvo hospodářství, Německo) pro aplikaci v hybridním pohonu automobilu. Jiným příkladem může být použití baterie 180 V, 27 A·h v prototypu hybridního automobilu, který představila laboratoř PennState‘s SUV v červnu 2004.

Základní charakteristiky akumulátorů

Pro posouzení vhodné velikosti článků pro sestavení akumulátorové baterie je zapotřebí znát jejich vlastnosti, zejména přípustné hodnoty nabíjecích a vybíjecích proudů, resp. násobků jmenovité ampérhodinové kapacity C_Ah. Vybíjecí proud v ampérech o číselné velikosti shodné s hodnotou C_Ah (tj. 1 CA) vybije článek na hodnotu konečného vybíjecího napětí za jednu hodinu, při proudu 2 CA za půl hodiny atd.

Obr. 3. Nabíjecí a vybíjecí charakteristiky lithium-iontového článku

Základními znaky článků jsou jejich nabíjecí a vybíjecí charakteristiky (obr. 3). Nabíjecí proces vyžaduje regulaci nabíjecího proudu, kontrolu napětí článku a kontrolu teploty. U klasických článků, které používají pro katodovou elektrodu oxid LiCoO2, je kritickým parametrem hodnota maximálního nabíjecího napětí 4,20 až 4,22 V na článek. Její překročení vede na degradaci vlastností článku a nedosažení této hodnoty znamená nevyužití jmenovité kapacity článku. Pro nabíjení se používá obvyklá charakteristika IU, tedy v první fázi se nabíjí konstantním proudem až do dosažení napětí 4,20 V/čl. Velikost nabíjecího proudu je omezena maximální přípustnou hodnotou danou výrobcem článku, resp. možnostmi nabíječe. Doba nabíjení v první fázi se podle velikosti nabíjecího proudu pohybuje mezi několika desítkami minut až několika hodinami. Napětí na článku postupně roste až do dosažení hodnoty 4,2 V (u některých článků výrobce udává 4,1 V). Toto napětí nesmí být překročeno, neboť při vyšším napětí článek degraduje. V první fázi nabíjení se tak do článků uloží asi 70 až 80 % energie, v druhé fázi zbytek. V druhé fázi se udržuje nabíjecí napětí na maximální přípustné hodnotě a nabíjecí proud se postupně zmenšuje. Nabíjení je ukončeno při poklesu proudu na hodnotu okolo 2 až 3 % nominálního vybíjecího proudu. Vzhledem k tomu, že maximální velikost nabíjecích proudů u menších článků bývá shodná s násobkem vybíjecího proudu (u velkých článků asi poloviční), je možné v první fázi nabíjení uložit podstatnou část náboje článku za velmi krátkou dobu, typicky 20 až 50 min (s ohledem na oteplení článku). To umožňuje využít tyto typy článků v elektromobilu, při jehož provozu se předpokládá relativně krátké zdržení v dobíjecích stanicích a dojezd mezi stanicemi 150 až 300 km. Po jisté době skladování nabitého článku v důsledku samovybíjení klesá náboj článku. V pravé části obr. 3 nabíjecí charakteristiky je znázorněna fáze dobíjení (refresh). Je zřejmé, že tato fáze připadá v úvahu až po značně dlouhé době skladování (tři měsíce) a podle způsobu dobíjení může být krátkodobá nebo článek může být dlouhodobě připojen na nabíječ pracující v oblasti udržovacího napětí.

Vybíjecí charakteristika

Napětí zpočátku rychle klesá na hodnotu 3,6 až 3,0 V (podle velikosti vybíjecího proudu) a po celou dobu vybíjení zůstává téměř konstantní. Po vyčerpání uložené energie velmi rychle klesá napětí. Vybíjení musí být ukončeno nejpozději po dosažení konečného vybíjecího napětí, které je typicky udáváno mezi 2,7 a 3,0 V. Při dalším poklesu napětí začnou vznikat nevratné změny ve struktuře článku a článek degraduje.

Obr. 4. Článek GAIA HE-602050 – délka 232 mm (včetně vývodů), průměr 60 mm, hmotnost 1,5 kg

V katalogových listech se typicky udává nominální vybíjecí proud, při němž lze z článku získat nominální počet ampérhodin, dále maximální trvalý vybíjecí proud (získatelný počet ampérhodin je menší než nominální) a maximální krátkodobý vybíjecí proud s časovým omezením (obvykle v rozsahu 5 až 30 s). Někdy je ještě udávána doba pro pulsní proud (např. 250 ms). V tabulce je příklad těchto hodnot pro článek UHP-20520065 s kapacitou 7,5 A·h.

U článků větších rozměrů jsou tyto hodnoty značně menší. Článek HE-602050 s kapacitou 60 A·h od stejného výrobce (obr. 4) připouští trvalý proud 0,5 CA, maximální trvalý 2 CA (120 A) a krátkodobý (5 s) 8 CA (480 A). Při porovnání odpovídajících hodnot obou typů je zřejmé, že snaha o konstrukci baterie z článků co nejvyšších kapacit přináší poměrné zmenšení maximálních využitelných proudů. To je z hlediska aplikace v elektromobilu nevýhodné, a u hybridních pohonů dokonce zvláště nevýhodné, vzhledem k tomu, že akumulátor je při hybridním uspořádání pohonů zatěžován především při rozjezdu a zrychlování vozidla, tedy krátkodobě, avšak při požadavku odběru velkého proudu. Řízení vybíjecího procesu je poměrně jednoduché. Je limitováno jen velikostí proudu a ukončeno dosažením hodnoty konečného vybíjecího napětí (obvykle 2,7 až 3 V/čl). Je však třeba upozornit na skutečnost, že vlastnosti jednotlivých článků v sériovém řetězci nikdy nejsou zcela stejné. Proto je třeba zajistit, aby se napětí kteréhokoliv článku nesnížilo pod hodnotu konečného vybíjecího napětí. Podobné poměry nastávají i při nabíjení akumulátoru. Nabíjet je možné v době nečinnosti vozidla (základní nabití menším proudem po delší dobu), při jízdě ustálenou rychlostí (nabíjení menším proudem) nebo při rekuperačním brzdění k uložení vygenerované energie (velké proudy po kratší dobu).

V poslední době byly na trh uvedeny lithiové články s odlišným materiálem katody, u nichž je oxid kobaltu, niklu nebo manganu nahrazen fosfidem Li3V2(PO4)3, patentovaným firmou Valence Technology Inc. Spolu s odlišným elektrolytem a dalšími konstrukčními úpravami byl vytvořen lithiový článek s některými význačnými přednostmi. Především jde o teplotně stabilnější systém, který umožňuje vyrábět články o větší ampérhodinové kapacitě. Jmenovité napětí je o něco vyšší, takže je možné jako základní jednotku konstruovat dvanáctivoltový akumulátor, jehož napětí se po celou dobu vybíjení pohybuje mezi 13,2 a 12 V a je svou hodnotou slučitelné s klasickými olověnými akumulátory 12 V. Při nabíjení může napětí článku dosahovat hodnoty až 4,9 V (typicky 4,6 V), a lze tedy pro nabíjení využívat standardní řízené nabíječky pro olověné akumulátory. A další příznivou vlastností je udávaná životnost 2 000 nabíjecích cyklů (při 80% vybití) a skutečnost, že úplným vybitím článku nedojde k jeho destrukci. Zatím byly na trh uvedeny tyto akumulátory s hodnotami 12 V, 40, 100 a 130 A·h a současně s nimi další dvě typové řady akumulátorů pro použití v UPS (Uninterruptible Power Supply, zdroj nepřerušitelného napájení) a v externích zdrojích pro notebooky a podobná zařízení.

Shrnutí a závěr

Lithiové akumulátory velkých ampérhodinových kapacit jsou perspektivním typem zásobníků elektrické energie pro výkonové aplikace, zejména pro elektrické pohony v mobilních zařízeních. Vzhledem k vysokému poměru energie a hmotnosti umožňuje použití lithiových akumulátorů zmenšit hmotnost a zastavěný objem zdroje. Typickou oblastí použití jsou pohony elektromobilů, přepravních vozíků a ručního elektrického nářadí, napájení mobilních přístrojů a zařízení telekomunikační a zabezpečovací techniky.

Jmenovité napětí běžných lithiových akumulátorových článků je 3,6 V. Touto hodnotou se odlišují od běžných článků NiMH, popř. NiCd, jež mají jmenovité napětí 1,2 V – to v aplikacích neumožňuje vzájemnou záměnu obou typů.

Nabíjení uvedených lithiových akumulátorů se odlišuje nutností velmi přesně dodržet hodnotu maximálního nabíjecího napětí, což předpokládá speciální typ nabíječe a zejména neumožňuje použití nabíjecích systémů určených pro jiné typy článků.

Moderní typy lithiových článků s katodami s fosforečnanem (PO4) představují významný pokrok v oblasti uživatelských vlastností. Především u článků velkých kapacit se zřejmě začnou prosazovat v mobilních aplikacích, kde se jistě i v cenových relacích přiblíží ostatním typům akumulátorů. Perspektivní oblastí využití jsou také autonomní energetické systémy se solárními články, resp. jinými alternativními zdroji elektrické energie, a zálohovací systémy UPS.

Uvedená problematika je řešena na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze v rámci Výzkumného záměru MSM 6840770017-2 Rozvoj, spolehlivost a bezpečnost elektroenergetických systémů.

Ing. Tomáš Cetl absolvoval ČVUT FEL v roce 1962. V témže roce začal pracovat jako asistent a od roku 1965 jako odborný asistent na ČVUT FEL v Praze na katedře elektrických strojů a výkonové elektroniky a později také na katedře elektrotechnologie. V letech 1992 až 1996 spolupracoval ve výzkumném středisku Relgen Research Systems N.Y. na výzkumu netradičních zdrojů elektrické energie. Je autorem řady publikací a patentů z oboru aplikací výkonové elektroniky, zdrojů a měničů elektrické energie.