Ogniwa litowo-jonowe, jakie są baterie w autach elektrycznych? Warto znać różnice

Spis treści

• Ogniwa litowo-jonowe – jak są zbudowane?
• Ogniwa litowo-jonowe – rodzaje ogniw ze względu na materiał katody
• Ogniwa litowo-jonowe – ideału nie ma
• Ogniwa litowo-jonowe – LCO (litowo-kobaltowe)
• Ogniwa litowo-jonowe – NCA (niklowo-kobaltowo-aluminiowe)
• Ogniwa litowo-jonowe – NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe)
• Ogniwa litowo-jonowe – LMO (litowo-manganowe)
• Ogniwa litowo-jonowe – LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe)
• Ogniwa litowo-jonowe – LTO (litowo-tytanowe)

Czy wybierając auto spalinowe interesujesz się, czy dany pojazd jeździ na ropę czy na benzynę? To oczywiste. Sprawdzasz nie tylko pojemność silnika i jego moc, ale też np. czy ma układ rozrządu napędzany paskiem, czy łańcuchem. Sprawdzamy wiele innych parametrów aut spalinowych. Skoro tak, to czemu podobne zasady nie obowiązują w świecie elektromobilnym? To błąd. Czy wiesz np. jakie ogniwa litowo-jonowe działają w konkretnym modelu? Jakie są pomiędzy nimi różnice? Większa wiedza oznacza bardziej świadomy wybór.

Ogniwa litowo-jonowe – jak są zbudowane?

Jak każde ogniwo galwaniczne. Ogniwa litowo-jonowe muszą składać się z co najmniej trzech elementów: dwóch elektrod: katody i anody oraz elektrolitu, w którym te elektrody są zanurzone. W tym sensie ich budowa nie różni się od znanych od ponad 100 lat akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dodatkowo obowiązkowym elementem każdego ogniwa litowo-jonowego jest separator, zabezpieczający przed zwarciem elektrod, ale zapewniający przepływ jonów i elektronów pomiędzy elektrodami (kierunek przepływu zależy od tego, czy akumulator jest ładowany czy rozładowywany).

Wspólną cechą wszystkich akumulatorów zbudowanych z ogniw litowo-jonowych jest to, że elektroda dodatnia jest zawsze zbudowana ze związków litu. Jednak w różnych akumulatorach stosuje się różne związki litu, które decydują o wielu parametrach ogniwa i zbudowanego z takich ogniw akumulatora.

Ogniwa litowo-jonowe – rodzaje ogniw ze względu na materiał katody

Aktualnie praktycznie we wszystkich samochodach elektrycznych, w których silnik elektryczny otrzymuje energię z pokładowego akumulatora trakcyjnego, stosuje się ogniwa litowo-jonowe. Wyjątkiem są niektóre hybrydy Toyoty, które korzystają z akumulatorów niklowo-wodorkowych, ale gdy mowa o samochodach typu BEV (elektryczne zasilane z baterii), zawsze mamy do czynienia z akumulatorami litowo-jonowymi. Jednak ze względu na różny materiał, z którego wykonana jest elektroda dodatnia (katoda) ogniwa w danej baterii, rozróżniamy następujące typy ogniw litowo-jonowych:

• ogniwa LCO (litowo-kobaltowe; LiCoO₂);
• ogniwa NCA (niklowo-kobaltowo-aluminiowe; LiNi_xCo_yAl_z);
• ogniwa NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe; LiNi_xMn_yCo_z);
• ogniwa LMO (litowo-manganowe; LiMnO₂);
• ogniwa LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe; LiFePo₄);
• ogniwa LTO (litowo-tytanowe; LMO)

Anoda niemal w każdym przypadku wykonana jest z węgla, ściślej z jego alotropowej odmiany: grafitu. Jedynym wyjątkiem są ogniwa LTO, w których zamiast anody grafitowej stosuje się anodę z titanianu litu (najczęściej Li₄Ti₅O₁₂), natomiast katoda ogniw LTO może być wykonana z tlenku litowo-manganowego, ewentualnie z domieszką kobaltu (czyli jak w ogniwach NMC). Mniejsza jednak o chemię, wybierając auto elektryczne nie trzeba pisać rozprawki naukowej na temat akumulatorów, niemniej zależnie od materiału i typu ogniwa, charakteryzuje się ono nieco innymi właściwościami. O jakich właściwościach mowa?

Ogniwa litowo-jonowe – ideału nie ma

Każdy typ ogniw litowo-jonowych można charakteryzować względem kilku czynników istotnych względem ich użyteczności w różnych aplikacjach, czy to będą np. smartfony i laptopy, czy też samochody elektryczne. W szczególności warto spojrzeć na poszczególne typy ogniw z uwzględnieniem następujących parametrów:

• Gęstość energii – decyduje o tym, jak wiele energii ogniwo jest w stanie zgromadzić na jednostkę masy;
• Gęstość mocy – decyduje o tym jak szybko dane ogniwo można naładować/rozładować;
• Bezpieczeństwo;
• Wydajność
• Żywotność
• Koszty

Niestety, nie ma idealnego typu ogniwa. Jeżeli jakiś typ charakteryzuje się np. najlepszą gęstością energii, jest on np. bardzo drogi, albo ma kiepską żywotność. Zobaczmy zatem jak wypadają poszczególne typy ogniw względem wspomnianych parametrów. Dla każdego typu zamieszczamy również graf obrazowo pokazujący możliwości danego typu ogniwa.

Ogniwa litowo-jonowe – LCO (litowo-kobaltowe)

Ogniwa, których katody wykonane są ze związku litu i tlenku kobaltu to bardzo popularny typ ogniw w akumulatorach litowo-jonowych. Są one powszechnie spotykane jednak nie tyle w samochodach, co w elektronice użytkowej. Smartfony, tablety, komputery przenośne, notebooki, laptopy itp. sprzęt wyposażany jest właśnie najczęściej w akumulatory LCO. Największą zaletą tego typu ogniw jest wysoka energia właściwa. Największą wadą, która tak naprawdę wyklucza zastosowanie w motoryzacji jest niska moc właściwa, co w praktyce oznacza, że ogniwo nie radzi sobie zbyt dobrze z pracą pod obciążeniem.

Dodatkowym mankamentem jest nienajlepsze bezpieczeństwo (niska stabilność termiczna) ogniwa oraz względnie krótki cykl życia szacowany na ok. 1000 cykli ładowania. Dla elektromobilności to za mało, natomiast do zastosowań w elektronice użytkowej jak najbardziej wystarczy, bo dzięki wysokiej energii właściwej sprzęt nie musi być duży i ciężki, by zapewniać w miarę długi czas pracy na baterii. Z kolei smartfon czy laptop, to nie są urządzenia, które mogą nagle potrzebować dużej mocy, dlatego niska moc właściwa ogniw LCO nie jest w takim przypadku problemem.

W kontekście elektromobilności ogniwa LCO mają jeszcze jeden problem. Nie powinny one być ładowane prądem wyższym niż jego wartość znamionowa (C). Wyjaśniając to na konkretnym przykładzie: ogniwo 18650 LCO o pojemności 2400 mAh można ładować i rozładowywać prądem nie większym niż 2400 mAh (1C = pojemność ogniwa), wymuszenie szybszego ładowania (pożądane w kontekście ładowania samochodów elektrycznych) lub stosowanie wyższego obciążenia wyższego niż – w podanym przykładzie – 2400 mA, spowoduje przegrzanie i grozi zniszczeniem ogniwa (spektakularną reakcją egzotermiczną, mówiąc wprost: pożarem). Poniżej jeszcze dane dotyczące tego typu ogniw.

Ogniwa li-ion LCO – dane:

• Katoda: LiCoO₂;
• Anoda: grafit;
• Napięcie nominalne ogniwa: 3,6 – 3,8 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 3.0 – 4,2 V;
• Prąd ładowania ogniwa: 0,7 – 1C (prąd ładowania powyżej 1C skraca żywotność baterii);*
• Rozładowanie: 1C (rozładowanie powyżej 1C skraca żywotność baterii);
• Gęstość energii: 100-180 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: niskie;
• temperatura ucieczki termicznej: 150°C; **
• Żywotność szacowana: 5-8 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 1000;
• Koszty: względnie niskie (kobalt jest drogi, ale można go odzyskiwać)

* – prąd ładowania 1C oznacza, ładowanie ogniwa prądem odpowiadającym pojemności ogniwa. Np. ładowanie ogniwa o pojemności 4200 mAh prądem 4200 mA to właśnie ładowanie 1C.

** – temperatura ucieczki termicznej (thermal runaway)

Ogniwa litowo-jonowe – NCA (niklowo-kobaltowo-aluminiowe)

Ogniwa NCA mają wiele cech wspólnych ze znacznie popularniejszymi w samochodach elektrycznych ogniwami NMC. NCA oferują wysoką energię właściwą (duża gęstość energii, czyli pojemność na jednostkę masy), mają też długą żywotność. Jednak przeciwko popularności ogniw NCA w motoryzacji stają niższy poziom bezpieczeństwa niż w przypadku NMC oraz nienajniższe koszty. Największą zaletą ogniw NCA jest ich pojemność sięgająca nawet 300 Wh/kg. Wiadomo, że z ogniw NCA korzystała m.in. Tesla.

Ogniwa li-ion NCA – dane:

• Katoda: LiNi_xCo_yAl_z;
• Anoda: grafit;
• Napięcie nominalne ogniwa: 3,6 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 3.0 – 4,2 V;
• Prąd ładowania ogniwa: 0,7C (w przypadku niektórych typów ogniw NCA możliwe szybkie ładowanie);
• Rozładowanie: 1C (szybkie rozładowanie skraca żywotność);
• Gęstość energii: 230-300 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: średnie;
• temperatura ucieczki termicznej: 150°C;
• Żywotność szacowana: 10-20 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 500;
• Koszty: średnie;

Ogniwa litowo-jonowe – NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe)

Ten typ ogniw litowo-jonowych jest dziś jednym z powszechniej stosowanych w kontekście elektromobilności. Wynika to z pożądanych właściwości katod zawierających różne proporcje niklu (zapewnia wysoką gęstość energii, ale jest niestabilny), kobaltu (stabilizuje nikiel, ale jest dostępny w ograniczonych ilościach i drogi) oraz manganu (jest stabilny, ale ma niską gęstość energii, za to zmniejsza rezystancję ogniwa, co sprzyja elastyczności prądowej całości).

Akumulatory Li-Ion typu NMC znajdziemy w wielu współczesnych samochodach elektrycznych. Jednym z ciekawszych przykładów jest np. Ford Mustang Mach-E (aczkolwiek jeszcze w tym roku marka Ford zapewni klientom możliwość wyboru tego modelu z ogniwami LFP, o czym niedawno pisaliśmy).

Ogniwa li-ion NMC – dane:

• Katoda: LiNi_xMn_yCo_z (proporcje pierwiastków stanowiących składniki katody mogą być różne);
• Anoda: grafit;
• Napięcie nominalne ogniwa: 3,6 – 3,7 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 3.0 – 4,2 V;
• Prąd ładowania ogniwa: 0,7 – 1C (prąd ładowania powyżej 1C skraca żywotność baterii);
• Rozładowanie: 1C; niekiedy 2C;
• Gęstość energii: 150-220 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: średnie;
• temperatura ucieczki termicznej: 210°C;
• Żywotność szacowana: 7-10 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 2000;
• Koszty: względnie niskie (kobalt jest drogi, ale można go odzyskiwać)

Ogniwa litowo-jonowe – LMO (litowo-manganowe)

Pierwsze ogniwa z katodą z tlenku litowo-manganowego wprowadzone zostały na rynek w 1996 roku przez tajwańską firmę E-One Moli Energy Corp. Pierwotnie zaletą tego typu ogniw była niższa rezystancja wewnętrza ogniwa, wyższa stabilność termiczna w stosunku do ogniw kobaltowych (LCO), ale problemem wciąż pozostawał relatywnie krótki cykl życia i niska wydajność.

Niska rezystancja oznacza, że ogniwa te mogą oddawać do otoczenia sporą moc (nawet do 10C, a impulsowo nawet 30C przez 5 sekund), co w kontekście urządzeń o dużej mocy, a do takich można zaliczyć samochody elektryczne, jest pożądane. W praktyce jednak ogniwa LMO miesza się z ogniwami NMC aby poprawić żywotność, która dla samych ogniw LMO jest dość niska. Akumulatory wykorzystujące ogniwa LMO i NMC stosowane były m.in. w takich modelach jak BMW i3, czy Nissan Leaf. Jednak ze względu na ograniczony potencjał rozwoju tego typu ogniw, producenci aut elektrycznych odchodzą od LMO.

Ogniwa li-ion LMO – dane:

• Katoda: LiMnO₂;
• Anoda: grafit;
• Napięcie nominalne ogniwa: 3,7 – 3,8 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 3.0 – 4,2 V;
• Prąd ładowania ogniwa: 0,7 – 1C, maks. 3C;
• Rozładowanie: 1C; możliwe do 10C, impuls 30C (5 sekund);
• Gęstość energii: 100-150 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: średnie;
• temperatura ucieczki termicznej: 250°C;
• Żywotność szacowana: 10-12 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 700;
• Koszty: średnie;

Ogniwa litowo-jonowe – LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe)

To kolejny, obiecujący w kontekście elektromobilności typ ogniw litowo-jonowych. Ogniwa LFP lepiej od innych typów ogniw litowo-jonowym znoszą pełne naładowanie, co wydłuża ich trwałość. Niestety, jak zwykle wiąże się to z pewnym kompromisem, którym jest niższe napięcie nominalne ogniwa i związana z tym niższa energia właściwa (pojemność energetyczna) ogniwa.

Żywotność tego typu ogniw jest wysoka, ale pod warunkiem zachowania czystości produkcji. Z kolei pewną wadą ogniw LFP jest nieco bardziej intensywne samorozładowanie. Nie jest to ogniwo idealne do zastosowań, w których przewiduje się bardzo rzadkie uzupełnianie energii. Niemniej w przypadku elektromobilności zakłada się, że pojazd jest ładowany dość często. Z tego typu ogniw w mniejszych pojazdach korzysta m.in. koncern Volkswagena. Ogniwa LFP są uznawane za jedne z najbardziej bezpiecznych ogniw litowo-jonowych.

Ogniwa li-ion LFP – dane:

• Katoda: LiFePo₄;
• Anoda: grafit;
• Napięcie nominalne ogniwa: 3,2 – 3,3 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 2,5 – 3,65 V;
• Prąd ładowania ogniwa: typowo 1C;
• Rozładowanie: 1C, ale nawet do 25C w przypadku niektórych komórek;
• Gęstość energii: 90-120 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: wysokie;
• temperatura ucieczki termicznej: 270°C;
• Żywotność szacowana: 8-12 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 3000;
• Koszty: średnie (wysokie wymagania czystości produkcji)

Ogniwa litowo-jonowe – LTO (litowo-tytanowe)

Ogniwa litowo-jonowe, w których standardową, grafitową anodę zastępuje się tytanianem litu znane są od lat 80-tych XX wieku. W roli katody mamy układ taki jak w ogniwach NMC lub tlenek litowo-manganowy. Zaletą akumulatorów LTO są duże prądy rozładowania, a także najwyższa ze wszystkich ogniw litowo-jonowych odporność na niskie temperatury. Nawet przy siarczystych mrozach -30°C ogniwo zachowuje 80% swojej nominalnej pojemności. Ogniwa LTO są też bardzo bezpieczne.

Czemu zatem nie spotyka się takich ogniw masowo w samochodach elektrycznych? Problemem jest niska gęstość energii i niskie napięcie nominalne ogniwa. Bateria LTO, aby móc zapewnić tę samą pojemność co bateria NCA, musiałaby być… ponad 3 razy cięższa. Problemem jest też wysoka cena ogniw LTO. Tego typu baterie prędzej spotkamy w wymagających najwyższego poziomu bezpieczeństwa centrach danych (systemy podtrzymywania zasilania), niż w samochodach elektrycznych.

Ogniwa li-ion LTO – dane:

• Katoda: tlenek litowo-manganowy lub jak w NMC;
• Anoda: Li₂TiO₃
• Napięcie nominalne ogniwa: 2,4 V;
• Zakres roboczy ogniwa: 1,8 – 2,85 V;
• Prąd ładowania ogniwa: 1C, maksymalnie 5C;
• Rozładowanie: do 10C, impuls 30C (5 s.);
• Gęstość energii: 50-80 Wh/kg;
• Bezpieczeństwo (chemiczne i termiczne) ogniwa: bardzo wysokie;
• temperatura ucieczki termicznej: powyżej 400°C (najbezpieczniejsze ogniwa litowo-jonowe);
• Żywotność szacowana: 20 lat;
• Szacowane cykle ładowania: ok. 10000;
• Koszty: wysokie;