Zupełnie inne lecz takie same, czyli jakie są akumulatory w hybrydach

W pojazdach hybrydowych stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje ogniw. Są to akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) oraz niklowo-metalowo-wodorkowe (Ni-MH). Ogniwa litowo-jonowe są bardzo często wykorzystywane w różnego rodzaju urządzeniach elektronicznych, takich jak laptopy, smartfony oraz tablety. W uproszczeniu składają się one z dwóch elektrod: jednej wykonanej z węgla i drugiej z tlenków metali. Elektrolitem w ogniwie jest roztwór litu. Z kolei ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe składają się z anody wykonanej ze stopu metali takich jak nikiel, magnez, mangan, kobalt i aluminium oraz katody z płytki niklowej.

Akumulatory litowo-jonowe różnią się od niklowo-metalowo-wodorkowych przede wszystkim większą gęstością energii i wynikającą z niej pojemnością. Oznacza to, że akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe są większe i cięższe niż ich litowo-jonowe odpowiedniki. Waga jest bardzo ważna w samochodzie, ponieważ bezpośrednio przekłada się na jego osiągi oraz niezbędną moc. Oba typy ogniw potrafią gromadzić podobną ilość energii, ale to ogniwa litowo-jonowe są lepiej dostosowane do szybkiego doładowywania. Nie są one jednak pod każdym względem lepsze od ogniw niklowo-metalowo-wodorkowych. Te ostatnie lepiej zachowują się w wysokich temperaturach i są bezpieczniejsze. Ich produkcja jest też tańsza, co jest ważne zarówno dla producenta samochodu, jak też dla nabywcy.

Wiele osób może pamiętać, że wszystkie akumulatory niklowe dysponują efektem pamięci, który może spowodować szybką degradację akumulatora. Jest to zjawisko znane z akumulatorów niklowo-kadmowych, które ponad dekadę temu były stosowane między innymi w telefonach komórkowych. Pamiętacie o konieczności formowania ich? Proces ten był przez wielu ludzi błędnie nazywany formatowaniem baterii. Polegał on na tym, by kilka razy rozładować telefon do końca i w pełni go naładować. W ten sposób wskazywało się akumulatorowi, że może korzystać ze swojej pełnej pojemności. Jeżeli proces ten nie będzie wykonany, a akumulator będzie stale ładowany do zbliżonego poziomu, załóżmy 70%, ogniwa mogą zachowywać się, jakby całkowita ich pojemność wynosiła wspomniane 70%.

W praktyce trudno jest jednak w ten sposób zniszczyć akumulator. Byłoby to możliwe po naładowaniu akumulatora do tego samego poziomu kilkadziesiąt razy pod rząd. Niemniej warto wspomnieć, że zjawisko takie występuje. Może się wydawać, że o wiele łatwiej jest napotkać problem przeładowanych ogniw. Pojawia się on, gdy akumulator jest ładowany długi jeszcze czas po jego naładowaniu. Skutkiem tego jest szybki spadek napięcia przy rozładowywaniu ogniw, co skutkuje skróceniem czasu pracy urządzenia. Z drugiej strony, ogniwa litowo-jonowe powinny być ładowane często i nie służy im dobrze zarówno pełne rozładowywanie, jak też ładowanie. Na szczęście producenci stosują rozwiązania, które praktycznie uniemożliwiają napotkanie wyżej opisanych problemów. Jednym z nich jest system eksploatacji, który dba o naładowanie ogniw do optymalnego poziomu, w granicach 20-80% pojemności. Oznacza to, że w akumulator nigdy się nie rozładuje, ani też nie będzie ładowany do maksymalnego poziomu, dzięki czemu będzie służyć przez bardzo długi czas.

Warto też pamiętać o tym, że problemy te mogą występować w autach elektrycznych, które ładuje się w konwencjonalny sposób. Jednak najczęściej spotykanych samochodów hybrydowych w ogóle się nie ładuje. Ich akumulatory ładują się automatycznie dzięki odzyskiwaniu energii podczas hamowania oraz optymalnemu wykorzystaniu mocy silnika benzynowego. Oznacza to, że użytkownik nie musi przejmować się efektem pamięci, ponieważ samodzielnie nie będzie mógł do niego doprowadzić. Jeżeli ten mimo wszystko boi się, że mimo to akumulator zepsuje się szybciej niż powinien, warto po prostu wybrać model z długą gwarancją na ten element. Najdłuższą z nich, aż 10-letnią, oferuje Toyota. Praktyka jednak pokazuje, że akumulatory te działają jeszcze dłużej. W niektórych modelach, takich jak Prius, nawet po 18 latach pracy zachowują one aż 90% fizycznej sprawności.

Nie da się zatem jednoznacznie stwierdzić, który typ akumulatorów jest lepszy. Każdy z nich ma swoje zalety i wady, w związku z czym nadają się do stosowania ich w różnych pojazdach. Doskonale zdaje sobie z tego sprawę Toyota. Firma używa dwóch rodzajów akumulatorów: w Priusie, Aurisie Hybrid oraz Yarisie Hybrid stosuje baterie niklowo-metalowo-wodorkowe, a w Priusie + oraz w Priusie Plug-In litowo-jonowe. Po wielu latach badań i testów inżynierowie tej firmy przekonali się, że wydajne akumulatory litowo-jonowe są równie trwałe co używane od dekady akumulatory niklowe. Dlatego wybór konkretnej technologii w dużej mierze był podyktowany względami praktycznymi.

Za przykład może posłużyć tu Toyota Prius, która jest dostępna z obydwoma rodzajami akumulatorów. Ich parametry są bardzo podobne, zapewniają one zbliżone osiągi i zużycie paliwa. Akumulator litowo-jonowy zawiera 56 ogniw, wytwarzających napięcie 207,2 woltów. 168 ogniw niklowo-wodorkowych daje zbliżone napięcie 201,6 woltów. Mniejsza liczba ogniw powoduje, że koszt wyprodukowania obu zestawów jest zbliżony, mimo że technologia litowo-jonowa jest droższa. Co ciekawe, nawet objętość obu zestawów jest podobna – pierwszy akumulator zajmuje 30,5 l, zaś drugi 35,4 l. Dlaczego więc Japończycy zdecydowali się na wprowadzenie dwóch wersji samochodu? Wytłumaczył to Kouji Toyoshima, główny inżynier modelu:

Oba typy ogniw są niezawodne dzięki zastosowaniu wielostopniowych systemów chłodzenia i kontroli. Chłodzone są poszczególne ogniwa, pakiety oraz baterie. Nadmiar ciepła odbiera powietrze chłodzące oraz metalowe chłodnice. System nadzoru może natychmiast wyłączyć dowolne ogniwo, którego temperatura wzrasta powyżej uznanej za bezpieczną. Ponieważ temperatury rosną podczas ładowania, konstruktorzy ograniczyli pojemność ładowania do 80 proc. nominalnej. Bezpieczeństwo zastosowanych akumulatorów doceniły też międzynarodowe laboratoria certyfikujące, takie jak Underwriters Laboratories. Co ciekawe, specjalnie zaostrzono w nich testy akumulatorów, by mieć absolutną pewność, że w ogniwach nie dojdzie do spięć, które mogą być przyczyną pożaru lub eksplozji. Najnowsze hybrydowe modele Toyoty z litowo-jonowymi akumulatorami zdały egzamin i otrzymały komplet nie tylko europejskich, ale też amerykańskich certyfikatów.

Jak już wspominałem, obecnie najczęściej korzysta się z akumulatorów litowo-jonowych. Niestety podstawowy surowiec niezbędny do ich produkcji, lit, jest pierwiastkiem stosunkowo rzadkim, występującym co prawda powszechnie, ale w bardzo małych ilościach. Z tego powodu wiele osób zastanawia się, czy w pewnym momencie jego dostępność nie okaże się na tyle mała, że odbije się na cenach akumulatorów i, co za tym idzie, urządzeń elektronicznych.

Problem ten chcą rozwiązać badacze z Toyota Research Institute of North America (TRINA). Poinformowali oni ostatnio o istotnych postępach w pracach nad stworzeniem ogniw, w których lit zastąpiono magnezem. Warto pamiętać, że jest to pierwiastek dwuwartościowy, a co za tym idzie, tworzy jony przenoszące dwukrotnie większy ładunek, niż w przypadku jednowartościowego litu. Objętościowa gęstość energii wynosi w przypadku magnezu 3833 mAh/cm³ w porównaniu do 2036 mAh/cm³ dla litu. To z kolei bezpośrednio przełoży się na wielkość i osiągi ogniw.

Do tej pory prace nad akumulatorami magnezowo-jonowymi posuwały się do przodu bardzo powoli. Było to spowodowane trudnościami ze znalezieniem odpowiedniego elektrolitu, który nie powodowałby szybkiej korozji elektrod. Naukowcom z TRINA udało się rozwiązać te problemy dzięki zastosowaniu elektrolitu opartego na magnezowych solach monokarboranów (MMC). Badając różne związki tego rodzaju, odkryli, że aniony o wzorze CB11H12 zapewniają wysoką trwałość magnezowych elektrod i umożliwiają konstruowanie ogniw o bardzo dobrych parametrach. Na ich opracowanie i wdrożenie trzeba będzie jeszcze poczekać, ale bardzo możliwe jest, że za jakiś czas zastąpią one obecnie wykorzystywane ogniwa.