Degradační mechanismy lithium-iontových baterií (1. díl)

Lithium-iontové baterie se dnes nacházejí skoro ve všech aplikacích, jaké si jen lze představit. To klade zvýšené nároky na maximalizaci jejich životnosti, spolehlivosti a v první řadě bezpečnosti. Teoretickým principem funkce by měly Li-ion akumulátory mít nekonečnou životnost. Tento článek se zaměřuje na to, proč tomu tak není a proč tyto články stárnou a selhávají.

Lithium-Iontové baterie fungují na principu přesunu lithiových iontů z katody na anodu při nabíjení a z anody na katodu při vybíjení. Tento proces je možný díky schopnosti iontů přecházet elektrolytem přes separátor z jedné elektrody do druhé. Čistě teoreticky by měl být tento proces bezeztrátový a životnost baterie neomezená. Nic na světě však není ideální. Jednotlivými degradačními mechanismy se budeme zabývat dále.

Životnost je relativní pojem

Baterie, která je již nepoužitelná ve své původní aplikaci (například jako trakční baterie elektromobilu), může sloužit ještě řadu let v nějaké méně náročné aplikaci jako je například domácí uložiště energie a podobně.

Obecně platí, že se baterie považuje za vysloužilou, pokud její kapacita klesla na 80 % původní kapacity a její vnitřní odpor se zvětší na dvojnásobek původní hodnoty. Vnitřní odpor je veličina, která udává pokles napětí baterie v závislosti na odebíraném proudu. Jsou na něm také závislé ztráty energie v baterii při nabíjení a vybíjení. Ideální baterie by měla nulový vnitřní odpor. Výše zmíněné limity platí pro náročné použití jako je například ve vojenské a medicínské technice.

Jeden metr neplatí pro všechny aplikace

Pro ostatní aplikace, jakými jsou spotřební elektronika, elektrická vozidla a úložiště energie, mohou tyto hranice být nastaveny jinak. Například u elektromobilů se udává hranice pro záruční výměnu baterie při poklesu na 70 % původní kapacity. Toto platí například u elektromobilu Tesla model 3 LR. Je zde však i podmínka toho, že záruka platí 8 let a celkový nájezd musí být nižší než 192 tisíc kilometrů.

U mobilních telefonů například firma Apple u iPhone udává životnost 500 úplných nabíjecích cyklů při poklesu kapacity na 80 % původní hodnoty. Neznamená to však, že telefon přestane po dosažení této hranice fungovat, může být ale omezena výdrž na jedno nabití, nebo jeho spolehlivost.

Kam se ionty ztrácejí

Jak již bylo zmíněno, lithium-iontové baterie fungují na principu přesunu nabitých iontů lithia mezi elektrodami a tyto ionty jsou zodpovědné za uskladněný náboj. S používáním a stárnutím baterie souvisí převážně nevratné děje, které stojí za poklesem množství těchto iontů, které jsou schopné se účastnit nabíjení a vybíjení.

Tyto ionty, které jsou nyní neaktivní, ovlivňují chování baterie a její bezpečnost. Může docházet k pokovování anody kovovým lithiem, nebo degradaci elektrolytu.  Tím dochází ke snížení vodivosti. Také k nadměrná hloubka difuze iontů do aktivních hmot elektrod je škodlivá. Každý z těch to procesů má své charakteristické znaky a důvody vzniku. Existují i procesy spojené s nesprávnou manipulací, které mají přímou souvislost s možností spontánní tepelné dekompozice baterie. Aby k těmto procesům nedocházelo, lithium-iontové baterie jsou vybaveny systémem managementu baterie (BMS).

Kompromis, nebo specializace?

Mohlo by se zdát, že dnešní baterie jsou stavěné pouze jako spotřební materiál, v mobilním telefonu baterie vydrží jen několik málo let, v elektromobilu záruka končí dříve, něž by se dalo čekat a tak podobně. Skoro to vypadá, jako by výrobci chtěli, aby baterie vydržela jen omezenou dobu. Je nutné si však uvědomit, že dnešní životnost baterií, převážně ve spotřební elektronice, je kompromisem mezi kapacitou, váhou, velikostí a cenou. V mobilním telefonu lze dosáhnout velké měrné kapacity vztažené k objemu i hmotnosti. Tato hustota je mnohem vyšší než u elektrických vozidel.

Představme si dvě baterie identické kapacity. Na jednom konci spektra je baterie s velmi dlouhou životností počítanou v desítkách let a desítkách tisíc nabíjecích cyklů, velkou váhou a objemem a astronomickou cenou. Na druhé straně bude stát baterie s životností 2-3 roky a řekněme, že vydrží 300-500 nabíjecích cyklů, bude pětkrát lehčí a čtyřikrát menší a třikrát levnější než ta první. Je vidět, že každá baterie má své použití a nelze je univerzálně zaměňovat.

Závěr

Stárnutí a degradace lithium-iontových akumulátorů je komplexní téma, které je stále zkoumáno. Na základě poznatků z tohoto zkoumání je tato technologie neustále zdokonalována. Vlastnosti dnešních moderních baterií se nedají srovnat s těmi, které v roce 1995 přišly na trh od firmy Sony. Klíčové principy stárnutí však zůstávají stejné. Další díl se podrobněji zaměří na konkrétní mechanismy degradace Li-ion baterií a na vliv těchto degradací na spolehlivost a bezpečnost provozu.