Naukowcy naprawiają samorozładowujące się ogniwa baterii

Samorozładowujące się ogniwa baterii Adobe Stock_phonlamaiphpto
Bogdan Kruk
19.10.2023

Przez długi czas zagadką pozostawało, dlaczego nieużywany akumulator trakcyjny, w miarę upływu czasu, sam się rozładowuje. Międzynarodowa grupa naukowców przypadkowo dokonała odkrycia, które może przyczynić się do wydłużenia żywotności tego rodzaju baterii.

  • Opisywane tajemnicze zdarzenie polega na tym, że tego rodzaju baterie potrafią tracić energię samoczynnie.
  • Straty energii dotyczą również przemysłowych i domowych systemów buforowania energii.
  • W trakcie przeprowadzonych badań naukowcy stwierdzili, że to tworzywo rozkłada się i tworzy cząsteczki, które przenoszą się między elektrodami.

Gdy chcesz użyć rezerwowego telefonu, który przez pół roku leżał w szufladzie, nie bądź zdziwiony, że jego bateria jest całkowicie rozładowana. To samo może dotyczyć baterii laptopa lub akumulatorów w samochodzie elektrycznym, które przez długi czas nie były używane. Do tej pory nikt nie mógł w pełni wyjaśnić, dlaczego dochodzi do spadków napięcia w nieużywanych akumulatorach. Jednak teraz naukowcy odkryli jak powstają te straty energii. Nazwali je „ukąszeniami wampirów”.

Samorozładowanie systemów magazynujących energię 

Na forach internetowych często można natknąć się na historie kierowców samochodów elektrycznych, których nagle zaskoczyło całkowite wyczerpanie akumulatorów. Zdarza się, że baterie, które na początku wydawały się w pełni naładowane, tracą swoją energię w zaskakująco krótkim czasie – niemal jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki. Chociaż większość tych przypadków wydaje się być odosobnionymi incydentami, nie brakuje skrajnych komentarzy w tym temacie. Zjawisko, choć rzadkie, może być problemem dla niektórych użytkowników samochodów elektrycznych. Dlatego coraz więcej osób stara się zrozumieć, dlaczego tak się dzieje i – co ważniejsze – jak można temu zapobiec

Zjawisko samorozładowania ma to do siebie, że może występować nawet wtedy, gdy akumulatory nie są używane. Opisywane tajemnicze zdarzenie polega na tym, że tego rodzaju baterie potrafią tracić energię samoczynnie, bez wpływu jakichkolwiek czynników zewnętrznych. Eksperci przewidują, że w wyniku procesu samorozładowania akumulatory litowo-jonowe mogą tracić około 3 – 5% swojej pojemności w ciągu jednego miesiąca. Dla pojedynczego kierowcy e-samochodu nie stanowi to znaczącego problemu, ale w skali całej floty marnotrawienie energii może być bardzo duże. 

Grafika_akumulator litowo jonowy
Budowa i zasada działania akumulatora litowo-jonowego; źródło: Raven Media

Ten problem dotyka nie tylko branżę motoryzacyjną, ale również tego typu straty energii dotyczą przemysłowych i domowych systemów buforowania energii.

Jak poważnym problemem jest samorozładowanie się ogniw widoczne jest w szczególności w przypadku stacjonarnych systemów magazynowania energii, które odgrywają kluczową rolę w zabezpieczaniu ciągłości dostaw energii podczas przerw w jej produkcji przez farmy wiatrowe, instalacje fotowoltaiczne i kolektory słoneczne.

Te systemy stanowią integralną część rosnącego sektora energetyki odnawialnej, umożliwiając gromadzenie energii w okresach nadprodukcji i dostarczanie jej, gdy jest potrzebna. Straty energii związane z samorozładowaniem ogniw występują również w przypadku producentów akumulatorów, gdy nowowyprodukowane baterie są ładowane po raz pierwszy, a następnie magazynowane w celu późniejszego wykorzystania. Żeby sprostać wyzwaniom w tym dynamicznie rozwijającym się obszarze niezbędne są ciągłe badania i rozwój technologii akumulatorów oraz strategii ich przechowywania, które pozwolą ograniczyć te straty i poprawić wydajność magazynowania energii.

Badania na poziomie ogniw 

Na pytanie, kto lub co pobiera energię z ogniw, długo nie było odpowiedzi. Problem ten pozostawał nierozwiązany do momentu, aż naukowcom z badawczego Uniwersytetu Dalhousie w Nowej Szkocji w Halifax (Kanada), udało się po raz pierwszy zaobserwować mechanizm rozładowania ogniw akumulatora. Uczeni zauważyli, że podczas wysokiej temperatury w ogniwach tworzą się cząsteczki molekuły przekazujące elektrony, nazywane „redoks-shuttle”, które transportują elektrony między elektrodami.

Elektrony w rzeczywistości powinny przepływać przez obwód elektryczny i dostarczać energię do odbiorników, zwłaszcza do silnika elektrycznego. Jeśli jednak przepłyną na skróty – przez elektrolit znajdujący się wewnątrz ogniwa, to nie zasilą żadnych urządzeń, ale jedynie obniżą napięcie akumulatora.

Początkowo nikt nie potrafił wyjaśnić nw jaki sposób wewnątrz nieobciążonych ogniw zachodzą transfery elektronów. Nikt również nie podejrzewał, że materiały używane w produkcji ogniw mogą być potencjalnym źródłem powstania tej reakcji chemicznej.

Wahadłowce redoks rozładowują ogniwa

Rozwiązanie pojawiło się w momencie, gdy naukowcy wpadli na pomysł rozcięcia kilku ogniw akumulatora litowo-jonowego. Byli zaskoczeni, gdy wewnątrz rozciętych ogniw zobaczyli elektrolit w jasnoczerwonym kolorze. Uczeni zaczęli poszukiwania przyczyn zmiany koloru elektrolitu, umieszczając ogniwa w piecach o różnych temperaturach. Pierwsza próbka, umieszczona w temperaturze 25°C, nie zmieniła koloru. Druga próbka przy temperaturze 55°C zmieniła kolor na jasnobrązowy, a w temperaturze 70°C elektrolit przyjął jasnoczerwoną barwę. Zaobserwowana zmiana koloru skłoniła do przeprowadzenia analizy chemicznej elektrolitu i zwrócenia szczególnej uwagi na jego skład chemiczny. 

Naukowcy zauważyli również, że taśmy samoprzylepne, które łączą elektrody i separator w ogniwach akumulatora, są wykonane z tworzywa sztucznego znanego jako politereftalan etylenu (PET), które jest używane do produkcji butelek na napoje.

W trakcie przeprowadzonych badań stwierdzili, że to tworzywo rozkłada się i tworzy cząsteczki, które przenoszą się między elektrodami. Te cząsteczki, zwane „wahadłowcami redoks”, podróżowały między dodatnimi i ujemnymi elektrodami akumulatora, co powodowało jego rozładowanie. Problem polegał na tym, że wspomniane „wahadłowce” wciąż podróżowały – nawet wtedy, gdy akumulator nie był w użyciu.

Pod wpływem wysokich temperatur dochodziło bowiem do rozkładu chemicznego taśmy. Uwolnione małe cząsteczki, które pełnią rolę transporterów przenoszących elektrony, stopniowo rozładowywały baterię. Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w czasopiśmie „Journal of The Electrochemical Society.” Część producentów akumulatorów już zareagowała i rozpoczęła badania, jakie materiały mogą zastąpić obecną taśmę. Możliwą alternatywą wydaje się być zgrzewanie ze sobą poszczególnych komponentów lub stosowanie materiałów z tworzywa sztucznego o wyższej jakości.

Dotychczas niewiele uwagi poświęcano delikatnej taśmie, zazwyczaj stosując w jej miejsce najtańsze dostępne materiały, które niekoniecznie były technologicznie czyste.

System monitorowania baterii pobiera energię 

Samorozładowanie chemiczne akumulatorów litowo-jonowych wkrótce powinno się skończyć. Niemniej jednak zaparkowane, nieużytkowane przez dłuższy czas e-samochody prawdopodobnie nadal będą tracić energię. Dotyczy to głównie systemu monitorującego stan akumulatora, który regularnie sam się włącza. System może być również ręcznie aktywowany przez użytkownika podczas sprawdzania stanu baterii za pośrednictwem odpowiedniej aplikacji na smartfonie. 

Istnieje także inny proces, który regularnie zużywa energię – nazywany jest balansowaniem ogniw akumulatora. Ten proces podlega kontroli układu zarządzania baterią i ma na celu wyrównanie stanu naładowania ogniw w baterii do zbliżonego poziomu. Ponieważ poszczególne ogniwa mogą się nieznacznie różnić w wydajności ładowania i rozładowywania (różne są bowiem użyte materiały),balansowanie ogniw akumulatora polega na rozładowywaniu bardziej naładowanych ogniw – aż osiągną one ten sam poziom naładowania, co ogniwa mniej naładowane. Nadmiar energii w tym procesie jest po prostu zużywany.

Ładowanie co 3 miesiące

Czas potrzebny do rozładowania akumulatora w zaparkowanym samochodzie elektrycznym zależy od wielu czynników. Oprócz poziomu naładowania, jakości ogniw w danym akumulatorze, a także skuteczności ich monitorowania, wpływ na rozładowanie akumulatora ma również temperatura zewnętrzna. Nie mówimy tutaj wyłącznie o niskich temperaturach. Pozostawienie samochodu elektrycznego w palącym słońcu na wiele tygodni również nie jest dobrym pomysłem. Każdy, kto nie zamierza używać swojego pojazdu przez kilka tygodni lub miesięcy, powinien go regularnie ładować.

Wielu producentów samochodów zaleca cykl ładowania takich pojazdów co 3 miesiące, w razie wątpliwości warto zapoznać się z instrukcją obsługi. Osoby mające dostęp do ładowarki naściennej typu Wallbox lub innego źródła ładowania, mogą również na stałe podłączać swój e-samochód do ładowania. Tzw. ładowanie podtrzymujące zapewni wystarczającą ilość energii w akumulatorze – nawet po długim okresie postoju.

Zdaniem EXPERTów

Co wpływa na rozładowanie akumulatora?

Zbigniwe BujakTradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe o napięciu 12V są również konieczne do podtrzymania napięcia w samochodach elektrycznych. Tak jak w zwykłych samochodach mogą zasilać systemy elektryczne, oświetlenia, system audio, nawiewy, czujniki, nawigację, alarm. 
Także rozruchowe akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą się samoczynnie rozładowywać z upływem czasu. Małe ubytki prądu z akumulatora, które powstają w wyniku normalnego codziennego użytkowania samochodu, są na bieżąco uzupełniane przez ładowanie akumulatora przez alternator podczas jazdy samochodem. I tak ma być. Problem zaczyna się, gdy akumulator nie zostaje odpowiednio doładowany – czy to w wyniku zbyt krótkiej jazdy, czy w konsekwencji źle dobranego akumulatora lub wadliwego alternatora. Takie trwałe niedoładowanie akumulatora obniża jego parametry i skraca żywotność. 
Wszyscy wiemy, że po mroźnej nocy czasami akumulator nie chce zapalić. Niska temperatura przyśpiesza samorozładowanie akumulatora, w szczególności jeśli jest on cały czas niedoładowany. Co istotne – wysoka temperatura także wpływa niekorzystnie na akumulator. Przykład? Gdy po dwóch tygodniach urlopu wracamy na parking przy lotnisku, (mówimy tu o parkingu zewnętrznym, zlokalizowanym w pełnym słońcu), przekręcamy kluczyk i słyszymy… ciszę. 
Warto wiedzieć, że na rozładowanie akumulatora mają także duży wpływ odbiorniki prądu, które po wyłączeniu stacyjki nadal pobierają prąd – np. świecąca się żarówka w bagażniku, schowku. W starszych samochodach było to także radio i światła, ale na szczęście wprowadzono wyłączniki czasowe, które odcinają dopływ prądu do tych odbiorników. W przypadku nowych samochodów, często się zdarza, że po wyłączeniu stacyjki samochody same testują swoje systemy i urządzenia pokładowe – obciążając akumulator. Dzieje się to bez wiedzy użytkownika i także ma wpływ na rozładowanie akumulatora
Zbigniew Bujak, Brand Manager, Grupa Amtra.

 

Jaka jest rola w akumulatorów rozruchowych w samochodach elektrycznych?

W 2021 r. na całym świecie sprzedano ponad 4,2 miliona samochodów elektrycznych i hybrydowych, t.j. dwukrotnie więcej niż w roku poprzednim.
W Norwegii np. udział samochodów elektrycznych w rynku, pod względem liczby rejestracji, wynosi już około 65%.
Europejskie programy rządowe, dotacje ekologiczne, premie za innowacyjność, zakaz prowadzenia pojazdów spalinowych w dużych aglomeracjach miejskich, czy unijne wymogi dotyczące czystego powietrza, przyczyniają się do zwiększenia zainteresowania pojazdami o alternatywnych napędach.
Pojazdy elektryczne, hybrydowe itp. są coraz częściej spotykane na naszych drogach. Jednak pomija się fakt, że każdy samochód elektryczny, bez wyjątku, jest dodatkowo wyposażony w akumulator kwasowo-ołowiowy 12V.
Do tej pory żaden pojazd elektryczny nie mógł funkcjonować bez akumulatora kwasowo-ołowiowego, który obsługuje i zasila sieć pokładową. Akumulator rezerwowy należy wymieniać, w zależności od producenta samochodu elektrycznego, co 2-3 lata. Jest to element kluczowy dla bezpieczeństwa.
Przykład: jeśli ze względów bezpieczeństwa system pojazdu zostanie wyłączony na autostradzie, a samochód porusza się z dużą prędkością, akumulator rezerwowy musi nadal niezawodnie zasilać np. oświetlenie pojazdu. Kiedy komputer pokładowy pojazdu wyświetli komunikat o błędzie (czerwona lampka ostrzegawcza akumulatora), należy sprawdzić układ elektryczny ELEC i rozważyć wymianę akumulatora sieci pokładowej
– wyjaśniają Eksperci z firmy Banner GmbH.

O Autorze

Bogdan Kruk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę