Co jeśli naprawdę nie trzeba odkrywać nowego pierwiastka ani budować fabryki akumulatorów półprzewodnikowych? Co jeśli trzeba tylko sprawić, żeby setki ogniw zamkniętych w jednym pakiecie starzały się bardziej podobnie do siebie? Najnowsza analiza opublikowana w Nature Energy pokazuje, że właśnie tutaj kryje się zaskakująco duża rezerwa.
Cały akumulator jest tak dobry, jak jego najsłabsze ogniwo
Akumulator samochodu elektrycznego nie jest jednym wielkim ogniwem. Jest systemem zbudowanym z wielu mniejszych elementów połączonych tak, aby wspólnie dostarczały odpowiednie napięcie, pojemność i moc. Problem zaczyna się wtedy, gdy jeden z nich zacznie odstawać od reszty. Podczas ładowania ogniwo o niższej pojemności może jako pierwsze osiągnąć maksymalne dopuszczalne napięcie. Pod dużym obciążeniem inne, charakteryzujące się większą rezystancją wewnętrzną, może jako pierwsze dobić do granicy bezpieczeństwa. Elektronika zarządzająca pakietem musi wtedy chronić najsłabszy element, a więc ogranicza możliwości całego zestawu.
Czytaj też: 805 Nm na tylnym kole i wymienny akumulator. Elektryczne motocykle stają się potworkami
Badacze z Dalian Institute of Chemical Physics, Chalmers University of Technology, Beijing Institute of Technology oraz Zeekr Technology Europe AB postanowili sprawdzić, jak duże znaczenie ma to poza laboratorium. Dostali do dyspozycji dane ze 116 samochodów osobowych z akumulatorami NMC oraz 17 elektrycznych autobusów wykorzystujących chemię LFP. Obserwacje obejmowały ponad trzy lata pracy, przebiegi sięgające 300000 km i finalnie około 587,5 mln wierszy danych. Właśnie skala tego zbioru jest dla mnie najciekawsza, bo mówimy nie o jakimś specyficznym katowaniu kilku ogniw na stanowisku testowym, lecz o rzeczywistych pojazdach.
Kilka ogniw może skrócić życie pakietu o ponad jedną piątą
Naukowcy analizowali napięcie, prąd, temperaturę i stan naładowania, a następnie za pomocą modeli akumulatorów oraz sieci neuronowych szacowali m.in. pojemność i rezystancję poszczególnych ogniw. W samochodach osobowych różnice długo pozostawały stosunkowo niewielkie, ale przy większych przebiegach część ogniw zaczynała odjeżdżać od reszty coraz szybciej. Skutki okazały się dużo większe, niż sugerowałby sam problem z pojedynczym ogniwem.
Przy przyjętym przez badaczy wspólnym kryterium wycofania niespójność między ogniwami ograniczała użyteczny stan zdrowia pakietu o 6,2% w samochodach i 7,5% w autobusach. Jeszcze gorzej wyglądała żywotność. W porównaniu ze średnią trwałością wszystkich ogniw cały pakiet osiągał granicę użyteczności odpowiednio o 17,7 i 22,8% wcześniej. Różnice rezystancji zmniejszały też możliwą do uzyskania moc o 12,9 oraz 15,1%.
Co ciekawe, samo niezrównoważenie poziomu naładowania okazało się stosunkowo niewielkim problemem. Przy stosowanych systemach balansowania ograniczało dostępną pojemność zwykle o mniej niż 2%. Dzisiejsze BMS-y potrafią więc całkiem dobrze pilnować procentów. Znacznie trudniej jest jednak oszukać fizyczne różnice w tempie starzenia się ogniw.
Czytaj też: Fox podłączył siodełko do akumulatora roweru. Wreszcie… ale czterocyfrowa cena powala
Najbardziej intrygująca liczba dotyczy jednak wykorzystania zasobów energetycznych przez cały okres eksploatacji. Dla samochodów osobowych wyniosła ona 80,7%, a dla autobusów tylko 72,9%. Innymi słowy, w chwili gdy najsłabsze ogniwa doprowadzały pakiet do przyjętego kryterium końca życia, potencjał odpowiadający około 19,3 i 27,1% pozostawał niewykorzystany. Nie oznacza to jednak, że elektryk jadący drogą wyrzuca gdzieś po drodze co czwartą kilowatogodzinę. W praktyce nie jest to strata sprawności podczas pojedynczego ładowania czy jazdy. Mówimy o potencjale pozostałych ogniw, którego nie udaje się spożytkować w całym okresie życia zestawu, bo najsłabsze elementy ograniczają go wcześniej.
Chociaż jest to ważne rozróżnienie, to nie sprawia ono, że problem nagle staje się mało istotny. Wręcz przeciwnie. Jeszcze niedawno, analizując dane z 22700 samochodów elektrycznych, zwracałem uwagę, że współczesne akumulatory jako całość starzeją się wolniej, niż sugerują najgorsze historie krążące wokół elektromobilności. Nowe badanie pokazuje zaś, że średni stan pakietu może ukrywać problem znajdujący się znacznie głębiej.
Następna rewolucja akumulatorowa może nie potrzebować nowej chemii
Właśnie tutaj widzę najciekawszy element całej historii. Przyszłość akumulatorów może polegać nie tylko na wtłoczeniu większej ilości energii w każdy kilogram materiału, ale również na lepszym wykorzystywaniu tego, co już potrafimy wyprodukować. Badacze wskazują zresztą kilka kierunków, a w tym większą powtarzalność produkcji, dokładniejsze dobieranie ogniw do pakietów, skuteczniejsze zarządzanie temperaturą, zaawansowane balansowanie oraz rekonfigurowalne systemy akumulatorowe, które mogłyby omijać lub inaczej wykorzystywać słabsze elementy.
Czytaj też: 48 KM i niewiele ponad 100 kg, ale to akumulator jest wyróżnikiem tego motocykla
Ten ostatni pomysł jest szczególnie futurystyczny, bo oznacza odejście od pakietu zachowującego się jak jeden nierozłączny blok na rzecz systemu aktywnie dostosowującego swoją strukturę do kondycji poszczególnych ogniw. Problemem w tym podejściu pozostają dodatkowa elektronika, koszt, złożoność i straty własne takiego układu. Nie wyciągałbym też z tych badań wniosku, że każdy współczesny samochód elektryczny marnuje dokładnie jedną piątą swojego akumulatora. Analiza obejmowała konkretne floty, dwa typy chemii oraz określone systemy zarządzania i kryteria końca życia. Pokazuje skalę zjawiska, a nie uniwersalną wartość dla każdego modelu na rynku.
Mimo to trudno przejść obok tych wyników obojętnie. Od lat marzymy o akumulatorze przyszłości, który będzie miał o 20 albo 30% większy zasięg. Tymczasem okazuje się, że zanim taka chemiczna rewolucja nadejdzie, część podobnej skali potencjału możemy odzyskać dzięki znacznie mniej widowiskowej walce z kilkoma ogniwami, które starzeją się szybciej od swoich sąsiadów. Czasem przyszłość technologii nie polega bowiem na wymyśleniu czegoś nowego. Czasem trzeba po prostu przestać marnować to, co już mamy.
