Pokles napětí v autobaterii pri nízkých teplotách okolo 20 °C: vliv na kapacitu a provoz Li-ion a Pb baterií

Odborný text pojednává o tom, jak teplota ovlivňuje kapacitu a provoz lithium-iontových (Li-ion) a olověných autobaterií. Životnost Li-ion akumulátorů je mimo jiné závislá na podmínkách provozu a nízké teploty mohou vyvolat značné změny v kinetice reakcí, transportu iontů a vnitřním odporu. Nízké teploty zpomalují elektrochemické děje na elektrodách i v elektrolytu, zvyšují odpor a mohou vést k zamrznutí elektrolytu. Naopak teploty kolem 50 °C urychlují stárnutí a degraduji SEI vrstvy, což snižuje kapacitu a zvyšuje riziko tepelného úniku. V textu jsou porovnávány dva typy akumulátorů: Li-ion články s různou chemií (NMC, LCO, LFP) a Pb-olověné články používané v automobilových systémech.

Vliv nízkých teplot na Li-ion články a jejich složení

Li-ion akumulátory se skládají z kladné a záporné elektrody oddělených separátorem napuštěným elektrolytem. Kladná elektroda využívá katodový materiál LiCoO2 (LCO), LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (NMC 111) či LiFePO4 (LFP). Záporná elektroda je tvořena grafitem. Elektrolyt obsahuje lithnou sůl rozpouštědla, která se ztrátou teploty mění vodivost a transport iontů. Při nízkých teplotách se zhoršuje kinetika reakcí, roste vnitřní odpor a dochází k houstnutí elektrolytu, což zpomaluje pohyb iontů.

Hlavní problém depozice lithného kovu na povrch záporné elektrody během nabíjení při nízkých teplotách zvyšuje riziko ztráty kapacity a růstu vnitřního odporu. Hlavní příčina spočívá v poklesu potenciálu záporné elektrody a podmínce pro interkalaci lithných iontů do grafitu, namísto toho dochází k depozici na povrchu. To vede k postupné degradaci článku a k dalšímu zhoršení výkonu.

Testované články a jejich chování při teplotách kolem 23-40 °C a nízkých teplotách

Jako testované 18650 články byly vybrány: Samsung INR18650-20R (NMC), Drypower IFR18650PC (LFP) a GWL LTO1865-13 (LTO). Testy zahrnovaly cyklování při pokojové teplotě 23 °C a 40 °C a poté cykly při −5 °C, −10 °C a −15 °C. Kapacita na začátku cyklu byla v mnoha případech nižší či vyšší oproti deklarované hodnotě, avšak návratnost kapacity po návratu k pokojové teplotě byla běžná. U Samsung INR18650-20R došlo při nízkých teplotách k poklesu kapacity: −5 °C zhruba o 12 %, −10 °C o 18 % a −15 °C o 23 %. Celkový pokles kapacity během cyklování při −15 °C byl 70,7 %, po návratu na pokojovou teplotu se kapacita zpevnila kolem 567 mAh.

Článek Drypower IFR18650PC ukázal významný pokles kapacity při nízkých teplotách. Na začátku cyklů byla kapacita kolem 1114 mAh (minimální deklarovaná hodnota 1100 mAh). Při −5 °C klesla účinnost a kapacita na začátku cyklu, během pěti cyklů dále klesala a stabilizovala se okolo 930 mAh, poté při návratu na pokojovou teplotu zůstala kolem 1027 mAh. Při −10 °C opět výrazný pokles na 582 mAh (pokles 47,8 %). Při −15 °C pokles na 326 mAh (70,7 %), a i po návratu na pokojovou teplotu byl výsledek nižší. Celkový pokles kapacity u Drypower byl 49,1 % a tento test ukázal nejvážnější degradaci ze sledovaných článků.

U článku GWL LTO1865-13 zůstávalo napětí a kapacita stabilní déle, i když i zde došlo k poklesu při nejnižších teplotách. Po 30 cyklech kapacita klesla z 1218 mAh na 1207 mAh. Při −5 °C klesla kapacita na 1115 mAh (pokles cca 8,2 %), po návratu na 23 °C dosáhla okolo 1194 mAh. Při −10 °C poklesla na 1136 mAh (pokles 15 %). Při −15 °C došlo k poklesu na 894 mAh, ale po návratu na pokojovou teplotu se kapacita vrátila na téměř původní hodnoty (1189 mAh). Celkový pokles kapacity byl 2,3 %, a tedy GWL LTO1865-13 byl stabilnější než Drypower a se Samsung INR18650-20R v některých aspektech lépe zvládal nízké teploty později cyklu.

Průběh rozdílu napětí a energetická účinnost

Další sledovaný parametr byl rozdíl napětí při nabíjení a vybíjení při 50 % kapacitě. Drypower IFR18650PC vykazoval rapidní růst rozdílu napětí, což vedlo k poklesu energetické účinnosti; u Samsung INR18650-20R a GWL LTO1865-13 byl rozdíl napětí menší a trend velmi podobný s klesající teplotou. Rozdíl potenciálů na začátku a konci cyklování pro Samsung INR18650-20R byl 90,3 mV a po cyklování 90,8 mV. U GWL LTO1865-13 byl rozdíl před cyklováním 38,2 mV a po cyklování 39,4 mV. U Drypower IFR18650PC byl rozdíl 149,1 mV před cyklováním a 187,5 mV po cyklování, což svědčí o výrazně vyšší degradaci.

Praktické závěry a aplikace v elektromobilitě

Jevy ukazují, že Li-ion akumulátory mohou pracovat i při nízké teplotě a chovat se relativně stabilně, pokud je protokol cyklování a teplotní management vhodně zvolen. U některých článků bylo možné dosáhnout lepších výsledků, než uvádí výrobce, a to i při nabíjení při teplotách pod bodem mrazu. V kontextu elektromobility je důležité řídit teplotu baterií prostřednictvím aktivního termálního managementu a BMS systémů, které regulují proudy a zapínají chlazení či topení článků. U velmi nízkých teplot silně klesá kapacita a zvyšuje se vnitřní odpor, proto je vhodné omezit výkon motoru, aby články zůstaly v bezpečném režimu, a zajistit ohřev článků na provozní teplotu.

Jako vhodné řešení pro testované baterie se ukázalo řízení teploty a adaptace cyklu. U Pb-akumulátorů je důležité udržovat nabíjecí napětí v optimálním rozsahu (typicky 13,8-14,4 V při 12 V článcích) a vyvarovat se častému hlubokému vybití. Optimální provozní rozsah pro 48 V Li-ion baterie je podle studií a praktických zkušeností v rozmezí 20 °C až 30 °C, snižující degradaci při teplotách nad 40 °C a nadměrném zahřívání. Moderní bateriové systémy (BMS) s distribuovanými teplotními senzory a adaptivními algoritmy významně snížují tepelné gradienty uvnitř baterie a zvyšují její dlouhodobou životnost.

V praxi testované články ukazují, že nízké teploty vyžadují opatrné nabíjení a řízení teploty; nabíjení pod nízkou teplotou může vést k lithium platingu a hlubší degradaci, zejména u článků s NMC chemii. U LTO a LFP článků může být chování poněkud odlišné, ale i pro ně platí, že nízké teploty snižují kapacitu a zvyšují vnitřní odpor. Efektivní BMS a aktivní chlazení/ohřev baterií jsou klíčové pro zajištění spolehlivého provozu v elektromobilitě i při extrémních teplotách.

Praktické doporučení pro provoz autobaterií v zimě a mimo ni

V zimním období je vhodné pravidelně dobíjet autobaterii, minimalizovat její vybití a vyvarovat se dlouhému stání v mrazu bez podpory teploty. Doporučení zahrnují:

• Pravidelné krátké vyjížďky i během zimy pro udržení teploty baterie a nabití.
• Použití nabíječek s inteligentní regulací proudu a teplotními senzory, které zajišťují pomalé a bezpečné dobití na 14,0-14,4 V pro 12 V baterie.
• Aktivní teplotní management v bateriovém packu u elektromobilů a BMS s monitorováním teplot a adaptivní regulací nabíjení.
• U olověných baterií je důležité nepřekračovat doporučené hodnoty nabíjecího napětí a vyvarovat se nadměrnému přebíjení, které vede ke ztrátám elektrolytu a sulfataci.

V některých specifických podmínkách, například skladování mimo sezónu, je vhodné baterii uskladnit na vhodnou teplotu (přibližně 10-15 °C) a občas ji dobít, aby nedošlo k hlubokému vybití a vzniku sulfatace. Vůči Li-ion článkům s vysokými teplotami je důležité zajistit chladicí mechanismy, jelikož tepelné shockingy mohou vést k rychlému degradování. Využití keramických izolačních vrstev a fázově měnících materiálů dále zvyšuje stabilitu a odolnost bateriových systémů vůči teplotním výkyvům.

Tabulka níže shrnuje klíčové výsledky testů různých chemických systémů Li-ion a jejich odezvu na teplotní změny:

Na závěr lze říci, že každý článkový systém reaguje na nízké teploty různě. Obecně platí, že nízké teploty zhoršují kapacitu a zvyšují vnitřní odpor, zatímco vyšší teploty urychlují degradaci a zkracují životnost prostřednictvím destabilizace SEI vrstvy. Důležitá je komplexní teplotní regulace, vhodný cyklovací protokol a volba chemie, která odpovídá požadovaným provozním podmínkám.

tags: #pokles #v #autobaterii #pri #20