Schrack Technik d.o.o., Zagreb

Litij-ionske baterije

Tehnički članak - Litij-ionske baterije

Primjena u spremanju energije iz prirodnih izvora, sunca i vjetra, pa i u automobilima, širi se brzinom koja premašuje sva očekivanja. Ne ulazeći preduboko u teoriju, u ovom ćemo nastavku prikazati bitne razlike između olovnih i Li-ion baterija.
Razloga je mnogo, no najvažnije je objasniti zašto već danas treba računati s novim baterijama, a ne onim tradicionalnim. Dakako, pod tradicionalnima mislimo samo na one olovne baterije koje su danas tehnološki pripremljene za duboko pražnjenje u fotonaponskim sustavima, nipošto na obične olovne automobilske baterije koje duboko pražnjenje naprosto ne mogu podnijeti.

U prošlom nastavku upoznali smo uređaj za ujednačavanje stanja napunjenosti olovnih baterija pri njihovom serijskom, odnosno paralelnom spajanju u tzv. baterijskoj banci za pohranu struje iz solarnih i ostalih izvora.
Prikazujući rad uređaja kojima se prate promjene u pojedinim baterijama, od optimalnog funkcioniranja do greški i havarija, jako smo se približili litij-ionskim baterijama koje zbog rizika od eksplozije uopće ne smiju raditi bez uređaja za ujednačavanje stanja pojedinih ćelija. Iako su zahvaljujući sofisticiranom nadzoru i novim materijalima te nove tehnologije uspješno iskorijenile sve dječje bolesti, negativni publicitet otprije trideset godina i danas se osjeća.
Međutim, s boljim poznavanjem golemih prednosti u raznim aspektima Li-ionskih baterija, moramo priznati da su nas potiho osvojile. Prije svega, zahvaljujući energetskoj efikasnosti.

Olovna ili litijska baterija?

Na slici 1. zorno je prikazana razlika između tih dviju vrsta baterija. Da bi trajala dovoljno dugo, olovna se baterija smije prazniti samo do polovice svojeg kapaciteta, dok se litij-ionska baterija može bez oštećenja i ubrzanog starenja do kraja isprazniti.
Iz tih dviju različitih baterija jednakog nazivnog kapaciteta i jednako napunjenih, ne može se u jednom ciklusu pražnjenja iscrpsti jednaka količina energije.
Li-ionska baterija nudi u tom ciklusu znatno više energije.

Slika 1 (desno): Iskoristivost energije iz olovnih i Li-ionskih baterija

Slika 2: Olovna baterija nasuprot Li-ion bateriji uz 20 kWh pražnjenja

Npr., pogledajmo olovnu bateriju nazivnih podataka 100 Ah 12 V C20. Jer, baterija osim oznake kapaciteta izraženog u Ah i napona izraženog u V ima još i neku dodatnu oznaku, recimo - C20. To znači da se ona može prazniti 20 sati strujom od 5 A (20 h x 5 A = 100 Ah).
Dakle, brojka 20 iz oznake C20 označava 20 h pražnjenja.
Struja pražnjenja je pri tome: kapacitet baterije C / 20 pa kažemo da se baterija prazni s 0.05C (npr: 100Ah/20h = 5A). Dosad su sve to samo nazivni podaci s baterije. No, prazni li se ta baterija tako da bi se sav nazivni kapacitet iscrpio za 10 h, tada kažemo da se baterija prazni s 0,1C.
Za ovu bateriju to bi iznosilo 0,1C = 0,1 x 100 = 10A.


Na slici 2. prikazan je slučaj kad želimo iz baterije tijekom 10 sati napajati trošilo od 2 kW, za što iz baterije moramo iscrpiti 20 kWh energije. Uz napon baterije od 48 V, litij-ionskoj bateriji trebat će 400 Ah (50 V x 400 Ah = 20 kWh) - jer Li-ion bateriju smijemo do kraja isprazniti. Kad bismo jednaku energiju pražnjenja od 20 kWh htjeli izvući iz olovne baterije koju smijemo isprazniti samo do polovice (50% kapaciteta ) kako joj ne bismo ugrozili životni vijek, treba nam 48 V baterija nazivnog kapaciteta 800 Ah.
Za istu raspoloživu energiju od 20 kWh olovna baterija ima masu 1360 kg, dok je masa Li-ionske baterije svega 336 kg. Li-ion baterija je četiri puta lakša!
Dakako, ova teorijska usporedba vrijedi samo ako se olovna baterija prazni nazivnim pražnjenjem. Nažalost, u otočnim fotonaponskim sustavima teško je točno predvidjeti struju pražnjenja! Što ako se baterija prazni “nenazivnom” strujom pražnjenja? Odgovor nam daje slika 3. koja prikazuje zavisnost kapaciteta baterije o trajanju pražnjenja, odnosno struji pražnjenja, što smo u ranijim nastavcima serije objasnili u raznim primjerima.

Slika 3: Kapacitet olovne baterije ovisno o struji pražnjenja

Međutim, zbog unutrašnjih fizikalno-kemijskih procesa, olovna baterija u našem primjeru (nazivnih 100 Ah pri struji pražnjenja 0,1C), može dati samo 85% kapaciteta, tj. 85 Ah.
Ako tu istu bateriju praznimo s 1C, dakle sa 100 A, tada ona može dati samo 20% nazivnog kapaciteta tj. samo 20 Ah. Praznimo li tu istu bateriju s 5C, dakle s 500 A, tada ona može dati svega 8% nazivnog kapaciteta, tj. samo 8Ah.
Vidljivo je da kapacitet napunjene olovne baterije (100%) uvelike zavisi o struji pražnjenja. Pogledajmo sada kako se pri različitim strujama pražnjenja ponaša litij-ionska baterija.

Slika 4: Kapacitet LI-ion baterije ovisno o struji pražnjenja

Slika 4: Kapacitet LI-ion baterije ovisno o struji pražnjenja

Na slici 4. lako je uočiti koliko je mala zavisnost kapaciteta LI-ion baterije o struji pražnjenja. To je vrlo važna karakteristika.
Li-ion baterija s nazivnih 100 Ah imat će pri pražnjenju od 100 A stvarni kapacitet od 102 Ah, a struju od 100 A davat će stvarnih 1,02 h. Olovna baterija nazivnih podataka 100 Ah C20 imala bi pri pražnjenju sa 100 A stvarni kapacitet od svega 20 Ah, a struju od 100 A mogla bi davati tek 12 minuta! (20 Ah/100 A = 0,2 h = 12 min)
Dakle, početno napunjena Li-ion baterija daje 100 A tijekom 1,02 h, a jednako napunjena olovna baterija davat će 100 A - svega 12 minuta.

U svjetlu ove spoznaje da se kapacitet olovne baterije smanjuje pri povećanju struje pražnjenja, a litij-ionske baterije gotovo se ne mijenja, vidjet ćemo da je i vaga na slici 2. prikazana za nazivni intenzitet pražnjenja baterija. Očekuje li se u nekom sustavu veće pražnjenje, dakle pražnjenje s većim strujama baterija, tada masa potrebne olovne baterije neizbježno raste - i evo nam još jednog argumenta u korist Li-ion baterije!
Osim upravo opisane zavisnosti kapaciteta baterije o struji pražnjenja baterije, dva grafikona u slici 5. prikazuju i zavisnost napona baterije o struji pražnjenja baterije.

Slika 5: Ovisnost kapaciteta i napona o struji pražnjenja olovne i Li-ion baterije

Slika 5: Ovisnost kapaciteta i napona o struji pražnjenja olovne i Li-ion baterije

I tu se jasno vidi kako pri povećanju struje pražnjenja napon litij-ionske bateriji manje pada u odnosu na olovnu bateriju. Litij-ionska baterija je izdržljiviji izvor napona u odnosu na olovnu bateriju, a stručno možemo reći da ima i manji unutarnji otpor! Dosad smo uspoređivali tipične karakteristike i razlike u ponašanju baterija pri pražnjenju. Vrijeme je da ih usporedimo i tijekom punjenja, kako je to prikazano na slici 6. Olovna baterija u ispražnjenom stanju prima 98% privedene energije, što znači da se u toj fazi samo mali dio pretvara u nekorisnu toplinu. Međutim, kako se baterija približava stanju napunjenosti 80%, sve se više energije pretvara u nepotrebnu toplinu, pri čemu se svega 75% privedene energije može pospremiti u bateriju. Pri kraju procesa punjenja u bateriju se može pohraniti svega 5% privedene energije. Kako se proces punjenja olovnih baterija u otočnim sustavima odvija uglavnom kontrolirano, u rasponu od 50% kapaciteta do 100% (jer bateriju ne praznimo dublje - zbog produženja životnog vijeka), navodi se da je prosječna efikasnost punjenja oko 75%.

Slika 6: Efikasnost punjenja baterije

Slika 6: Efikasnost punjenja baterije

Isto se može izreći i na drugi način: ako olovnu bateriju praznimo „x“ sati sa strujom 0,15C, morat ćemo je tom istom strujom (0,15C) puniti 1,33 puta duže!
Za Li-ion bateriju praktički je efikasnost u cijelom procesu punjenja 98%. Na kraju tog procesa Li-ion baterija ne zahtijeva ni fino i precizno dopunjavanje koje je izrazito neefikasno kod olovne baterije.
Li-ion bateriju možemo cijelo vrijeme puniti jednakom strujom, što znači da ćemo potrebnu energiju brže pospremiti u bateriju!

Slika 7: Usporedba olovne i litij-ionske baterije tijekom jednog ciklusa punjenja

Slika 7: Usporedba olovne i litij-ionske baterije tijekom jednog ciklusa punjenja

Na slici 7. je primjer sustava koji baterije puni iz generatora. Obje baterije pune se s 210 ampera pri 25 V, dakle snagom od oko 5,3 kW tijekom 1,4 sata, pri čemu je generator optimalno opterećen (u nazivnom opterećenju).
U tom vremenu obje baterije dobiju iz generatora 7,2 kWh energije. Li-ion baterija je nakon toga i napunjenja, a olovnu treba sljedeća 4 sata dopunjavati - uz sve manju snagu generatora. Tek nakon gotovo 5,4 sata generator će u nju nagurati 7,2 kWh električne energije. Tu se najbolje vidi razlika od gotovo 12 litara goriva i dodatna 4 sata rada generatora što je potrošeno da bi se u olovnu baterije pospremilo jednaku količinu energije kao u litij-ionsku.
Pretpostavimo li da baterije dnevno trebaju jedan ciklus punjenja i pražnjenja, na godišnjoj se razini pojavljuje razlika od oko 4000 litara goriva i 1500 radnih sati generatora! Li-ion baterija je robusna i vrlo efikasna u pospremanju energije koju prima jednakim intenzitetom kroz cijelo vrijeme punjenja, dok je klasična olovna baterija sve tromija i manje efikasna što je bliže napunjenom stanju.

Na slikama 8. i 9. prikazana su dva otočna fotonaponska sustava s jednakim zahtjevom da trošila dnevno snabdiju s 20 kWh energije.
Zbog manje efikasnosti prihvata energije u olovne akumulatore nužno je povećati proizvodnju fotonaponskog polja, barem za 30%.
Povećanje proizvodnje fotonaponskog polja može se postići jedino povećanjem broja fotonaponskih modula u polju.
U sustavu s olovnom baterijom mora fotonaponsko polje za dnevnu potrošnju od 20 kWh osigurati i dnevnu proizvodnju 39 kWh energije.

Slika 8.: Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u FN sustavu s LI-ion baterijom

Slika 8: Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u FN sustavu s LI-ion baterijom

Slika 9: Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u FN sustavu s olovnom baterijom

Slika 9: Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u FN sustavu s olovnom baterijom

Za dnevnu potrošnju od 20 kWh u sustavu s Li-ion baterijom mora se iz fotonaponskog polja osigurati 30 kWh. Razlika je gotovo 10 kWh dnevno. Ugrubo preračunavši, da bi sustav s olovnim baterijama postigao sličnu efikasnost tijekom ljetne proizvodnje od 4 kWh/kwp, fotonaponsko polje treba povećati za dodatnih 2,5 kW fotonaponskih modula. A ti se moduli moraju i povezati i montirati, za što treba i dodatni kabel i montažni materijal, a potom i odgovarajući jači ulaz regulatora punjenja... I to je argument u korist litij-ionskih baterija.
Štoviše, komponente sustava mogu se primjenom Li-ion baterija optimirati i ne treba povećavati fotonaponsko polje za očekivanu proizvodnju energije koja se, nakraju, ne može korisno pohraniti u olovnu bateriju! Li-ion tehnologija zaista omogućuje od 2 do 4 puta veći broj ciklusa pražnjenja i punjenja kako je prikazano na slici 10. Pri usporedbi uzima u obzir da se olovna baterija smije prazniti samo do 50% kapaciteta kako bi se u životnom vijeku održao što veći broj ciklusa, oko 500.
No, već smo objasnili, litij-ionska baterija smije se prazniti praktički do kraja, čime nam je na stalno na raspolaganju cijeli nazivni kapacitet baterije, u mnogo više ciklusa. A to je golema prednost.

Slika 10: Broj ciklusa potpunih pražnjenja i punjenja tijekom životnog vijeka Li-ion baterije - u usporedbi s olovnim baterijom

Slika 10: Broj ciklusa potpunih pražnjenja i punjenja tijekom životnog vijeka Li-ion baterije - u usporedbi s olovnim baterijom

Nakon ovih deset usporedbi možemo zaključiti najbitnije:


1. Spremamo li energiju u olovne baterije koje ćemo praznili samo do 50 posto, moramo osigurati i dvostruki kapacitet u odnosu na Li-ion baterije. Time u našu olovnu baterijsku banku ugrađujemo i četverostruko veću masu odnosu na Li-ion baterije potrebne za iskorištavanje fotonaponskog polja.

2. U najboljem slučaju, olovne baterije će trajati pola trajanja Li-ion baterija, a vjerojatno tek četvrtinu vijeka Li-ion baterija.
Napokon, vrijeme je da sve ove razlike pokušamo i „financijski odvagnuti“.

Pogled kroz novac

Uspoređujemo li te dvije vrste baterije samo po naponu i kapacitetu, kako je to vidljivo na slici 11., mogli bismo na brzinu zaključiti da se Li-ion baterije ne isplate - jer su pet puta skuplje od olovnih! Međutim, na slici 12. uspoređuju se dvije baterije na način da obje daju isti broj ciklusa, pri čemu postaje vidljivo da u pojedinom ciklusu trošilima daju i jednaku količinu energije. Najprije smo dvije AGM baterije morali udvostručiti kako bismo uz pražnjenje do 50% kapaciteta po svakom ciklusu osigurali jednaku energiju za trošila kao i Li-ion baterije. Zato smo već u prvom koraku imali četiri baterije. Potom smo za 2000 ciklusa morali predvidjeti ukupno 4 seta AGM baterija ili ukupno šesnaest olovnih baterija
(16!). Nakraju, u ovoj usporedbi po energiji koja je na raspolaganju trošilima, imamo 16 AGM baterija naspram jedne Li-ion baterije, a jezičac financijske vage očigledno preteže u korist LI-ion baterije. Ne smije se zaboraviti ni usporedbu mase: 55 kg Li-ion baterija prema1040 kg olovnih.
Možemo reći da je ista količina energije koja se dostavlja trošilima devetnaest puta bolje upakirana u Li-ion baterijama (1040/55 = 19)!
Zato se u usporedbama često spominje i gustoća energije u odnosu na volumen ili masu baterije...

Slika 11: Usporedba Li-ion baterije i olovne baterije jednakih napona i kapaciteta

Slika 12: Usporedba Li-ion baterije i olovne baterije na način da obje daju približno isti broj ciklusa, oko 2000, a pritom u svakom pojedinom ciklusu mogu trošilima dati jednaku energiju, od 4 do 5 kWh

Jedan pogled na sliku 12 argumentirano rasvjetljuje ekonomsku stranu primjene Li-ion baterija, a olovne baterije sprema u povijest, kamo zapravo i pripadaju. Naravno, ako imamo novca za startnu investiciju. Uz Li-ion baterije i upravo objašnjenu usporedbu, zaista se moramo zapitati jesmo li dovoljno bogati da i dalje kupujemo olovne baterije za naše fotonaponske sustave?
Svojevrsno opravdanje za situaciju u kojoj je neizbježan novi tehnološki skok možemo  potražiti u razvoju fotonapona, koji je svima najprije ponudio struju iz svjetla, a spremanje električne energije nametnulo se kasnijim usavršavanjem tehnologije i sve većim zahtjevima za čistom energijom.
Iako je osnovni dio tehnologije fotonapona bio svima poznat, taj drugi dio desetljećima je bio kočnica djelotvornijoj primjeni.
U toj priči je mnogo elemenata koji s fotonaponom i baterijama nemaju izravnu vezu - od novih materijala, patenata, dostupnosti ruda i minerala, lobija, globalnog kapitala, politike, naftnih i ugljenarskih monopola do ratova... Danas je jasnije, čak i prema našoj usporedbi mase, raspoložive energije i cijena u odnosu na volumen i brzinu izmjene ciklusa punjenja i pražnjenja, zašto je električni automobil prije dvadeset-trideset godina bio tek pokušaj u slijepoj ulici...

Što moramo znati o litij-ionskim baterijama?

Slika 13: Gustoća pohranjene energije Li-ion baterija u usporedbi s olovnom baterijom.

Prva istraživanja s litijskim baterijama započela su 1912. godine. Također, valja se prisjetiti ne tako davne 1991. godine i porođajnih muka s japanskih mobilnih telefona, kad su prve serije s novorazvijenim litijskim baterijama bile povučene zbog opasnosti od plinjenja i moguće eksplozije u nečije lice ili uho…Tada se s litija prešlo u generaciju litijionskih baterija.
Slično kao i kod olovnih baterija, Li-ion baterija ima katodu (pozitivni pol) i anodu (negativni pol) te vodljivi elektrolit. Katoda je litijev metalni oksid, a anoda porozni ugljik. Za vrijeme pražnjenja, anoda u procesu oksidacije predaje elektrone u strujni krug, dok katoda u redukcijskom procesu prihvaća elektrone iz strujnog kruga. U elektrolitu pak struju prenose ioni litija. Za vrijeme punjenja proces je obrnut. Danas poznati i u razdoblju od 1980. do 2008. godine istraženi tipovi Li-ion baterija nazivaju se po materijalu iz kojeg je izrađena katoda, dok je anoda u svim od grafita. No, nećemo se ovdje mučiti značajkama pojedinih vrsta baterija, jer područje je zaista golemo i ponekad zbunjujuće! Recimo samo da se danas sve one razlikuju i procjenjuju po količini energije koja se može spremiti u 1 kilogram baterije.
Zašto se komercijalo ne koriste samo baterije s najvećom gustoćom tj. s 250 Wh/kg? Zato, jer su Li-ion baterije osjetljive na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje pa je zbog sigurnosti danas komercijalno najpodobniji tip s anodom od litijželjezo- fosfata (LiFePO4) po kojemu se i baterija označuje kraticom LFP, a primjenjujemo je i u otočnim fotonaponskim sustavima.
U nastavku serije baviti ćemo se isključivo tim baterijama.

Slika 14: Victronove litij-ionska baterija bez priključka i s priključkom na sustav za nadzor stanja baterije

Slika 14: Victronove litij-ionska baterija bez priključka i s priključkom na sustav za nadzor stanja baterije

Slika 15: Sustav za nadzor stanja Li-ion baterija

Slika 15: Sustav za nadzor stanja Li-ion baterija

LFP baterije

Napon osnovne ćelije olovne baterije bio je 2 V. Napon osnovne ćelije LFPbaterije je 3,6 V. Spajanjem 4 ćelije u seriju dobivamo nazivno bateriju od 12,8 V, a spajanjem 8 ćelija u seriju dobivamo nazivno bateriju od 25,6 V.
Ako napon na nekoj ćeliji unutar baterije padne ispod 2,5 V u većini će slučajeva nepovratno razoriti ćeliju. Doduše, može se pokušati „oživljavanje“ takve ćelije punjenjem malom strujom od 0,1C, no to nije ni pouzdano ni trajno rješenje. Jednake su posljedice i kad napon na ćeliji premaši 4,2 V. Posebno je opasan upravo previsoki napon na pojedinoj ćeliji koji može izazvati i eksploziju. Važno je znati da se tijekom punjenja u svim ćelijama nadzire pravilan dotok energije i kontroliraju moguće iznenadne promjene.
Naime, ćelije ni u proizvodnji nisu apsolutno jednake pa je moguće da se neka ćelija prepuni i uništi - iako je napon punjenja za cijelu bateriju u zadanim granicama.
Stoga litij-ionske ili LFP-baterije moraju imati nadzor stanja i stalno ujednačavanje rada svih ćelija, pogotovo tijekom punjenja, kad svaku pojedinu ćeliju treba stalno održavati striktno u granicama dozvoljenog napona. Jednako tako treba ćelije kontrolirati i tijekom pražnjenja, a u slučaju pada napona u nekoj ćeliji ispod dozvoljene razine, trošila se odspajaju.

S obzirom na nadzor ćelija u praksi se LFP-baterije proizvode opremljene na dva načina, prema slici 14:

  • unutar baterije nalazi se samo uređaj za ujednačavanje stanja ćelija (engl. cell balancing) pa je opisujemo kao bateriju bez priključka na sustav za nadzor stanja baterija (engl. battery managment system, kratica: BMS). To je dozvoljeno samo u slučaju kad se pri radu sustava ne očekuju duboka pražnjenja, odnosno ako je za zaštitu od dubokog pražnjenja u sustav ugrađen poseban sklop za zaštitu baterije koji po potrebi odspaja trošila (engl. battery protect). Takve baterije nisu podobne za spajanje ni u seriju ni u paralelu. Valja znati da izmjenjivač koji je spojen na bateriju, čak i u pričuvnom modu (engl. standby) ipak troši njezinu energiju. Bez uređaja za zaštitu od dubokog pražnjenja i sam je izmjenjivač ipak može uništiti.
  • uz uređaj za ujednačavanje stanja ćelija baterija ima i dodatnu mogućnost dojave o naponu i temperaturi svake ćelije prema sustavu za nadzor baterije. Sustav za nadzor stanja baterije mora odspojiti teret čim se napon neke ćelije spusti ispod 2,5 V, ili pak zaustaviti punjenje ako je napon u nekoj ćeliji premašio 4,2 V. Također, premaši li temperatura u nekoj ćeliji 50°C, proces punjenja se trenutno zaustavlja. Takve se baterije mogu spajati u seriju do 4 komada ili u paralelu do 10 komada. Na taj način mogu se oblikovati baterijske banke od 48 V, do 2000 Ah. Osim energetskih priključaka te baterije imaju još i informacijske priključke. Na slici 15 prikazana su dva sustava za nadzor Li-ionskih LFP-baterija.

U sljedećem nastavku serije prikazat ćemo kako se Li-ion baterije sa sustavima za nadzor baterije može praktično spojiti s ostalim uređajima u otočnom fotonaponskom sustavu.

Pretraživali ste prema ovim riječima: baterija, akumulator, Li-ion, lioion, litijska baterija, litijeva baterija, litijionska, litij-ionska, punjenje baterije, punjenje akumulatora, trajanje baterije, LFP baterija, Victron, nadzor baterije, regulator punjenja baterije, eksplozija baterije, olovni akumulator, Battery Balancer, ujednačavanje baterija, nadzor baterija