Automašīnu akumulatori kāpēc svins, nevis litijs?
Baterijas uz litija bāzes mūsdienās tiek izmantotas daudzās ierīcēs, tās praktiski ir izkonkurējušas cita veida akumulatorus. Tomēr svina-skābes akumulatorus joprojām automašīnās izmanto kā startera bateriju. Kāpēc?
Lietojums un parametri
Vai automašīnās vispār tiek lietoti startera litija akumulatori? Jā, tiek lietoti, bet reti. Pirmais faktors, kas bremzē to masveida izplatību, ir izmaksas. Startera litija baterijas pastāv jau aptuveni desmit gadus, bet pagaidām ir sastopamas sporta un augšējā cenu segmenta automašīnās. Šādu automašīnu piemēri – civilie modeļi McLaren 570S, 650S, MP4-12C, Porsche Cayman R, 911 GT3, Boxster Spyder, Mercedes S-Class W221, W222, М-sēriju BMW un virkne citu. Mūsdienās ražotos sīksēriju litija automašīnu akumulatorus nosacīti var iedalīt divās grupās – ikdienas un sporta. Kas attiecas uz ikdienas grupu, tad to korpuss bieži vien atkārto parastā svina akumulatoru formu, arī spēka spailes ir identiskas. Parametri arī ir salīdzināmi ar tradicionālajām baterijām. Piemēram, Mercedes-Benz litija baterijai ir 78 ampērstundu kapacitāte un aukstā starta maksimālā strāva ir 550 ampēri. BMW startera litija baterijai ir 69 ampērstundu kapacitāte, aukstā starta strāva – 770 ampēri. Starp citu, izrādās, ka ikdienas litija bateriju svars ir nedaudz mazāks nekā tradicionālo akumulatoru, labākajā gadījumā – aptuveni pusotras reizes. Merсedes-Benz litija baterija sver 12 kg, BMW – 14 kg. Cita lieta – sporta akumulatori. Piemērs – Porshe baterija, kas sver tikai 6 kg un ir aptuveni 2 cm augsta. Šāda baterija ar 18 ampērstundu kapacitāti tiek piedāvāta kā opcija, lai aizstātu standarta 60 ampēru svina akumulatoru, un paredzēta galvenokārt tam, lai pavizinātos trekā. Plašāk litija startera baterijas tiek izmantotas mototehnikā, skūteros un kvadraciklos: liela kapacitāte nav nepieciešama, bateriju cena sanāk mērena, un kompaktums un vieglums šajā jomā ir apsveicams. Kas attiecas uz nestandarta litija akumulatoriem, tad arī pēc tiem ir zināms pieprasījums: sacīkšu braucēji novērtē mazo svaru, bezceļa vizināšanās cienītāji – pilnīgu hermētiskumu utt.
Savstarpēja aizstājamība
Ja ir vēlēšanās, tad svina akumulatora vietā iespējams uzstādīt litija startera bateriju, taču pretējs process ir sarežģītāks. Ja automašīna no konveijera ir nokomplektēta ar litija akumulatoru, tad, par spīti standarta spēka savienotājiem, parasti to nevar vienkārši aizstāt ar tradicionālo svina-skābes bateriju. Akumulatoram ir papildu informācijas savienotājs, ar kura palīdzību notiek pieslēgšana digitālajai datu kopnei. Elektronikas pārkonfigurācija dažiem modeļiem ir iespējama, bet to vēlams darīt ar dīleru aprīkojumu vai izmantojot PassThru funkciju. Ir automašīnas, piemēram, minētie civilie McLaren, kurās ārkārtējos gadījumos tiek pieļauta svina akumulatora uzstādīšana. Šādā gadījumā dažas no elektronikas funkcijām darbosies nepareizi, taču ar automašīnu līdz galamērķim varēs tikt.
Temperatūra
Porsche plānā un vieglā litija baterija kā opcija ir pilnībā savietojama un savstarpēji aizstājama ar parasto svina bateriju, taču instrukcijā ir norādīts, ka litija akumulatoru tomēr vēlams izmantot siltā laikā. Pat nelielu mīnusu gadījumā jau tā mazā kapacitāte (18 ampērstundu) kļūs vēl mazāka un pastāvēs risks automašīnu neiedarbināt. Patiesībā bailes no aukstuma un dziļas izlādes ir otrā problēma, kas traucē masveidā izmantot litija baterijas kā startera baterijas. Nav šaubu, ka litija akumulatori attīstās un to darbības temperatūras diapazons pēdējos desmit gados ir ievērojami paplašinājies. Tomēr svina akumulatoru parametrus aukstums joprojām ietekmē mazāk nekā litija bateriju parametrus. Rodas jautājums: bet kā ir ar litija titanāta akumulatoriem, kurus izmanto elektromobiļos, tostarp – komerciālos? Ražotāji apgalvo, ka šādas baterijas var izturēt salu līdz mīnus 20–30 grādiem, gandrīz nezaudējot savus parametrus. Šeit ir divas piebildes. Pirmkārt, šādām baterijām ir zemāks spriegums un energoietilpība, tāpēc tās ir lielākas par citu tipu litija akumulatoriem. Otrkārt, salīdzināt vilces baterijas ar startera baterijām nav gluži pareizi. Elektromobiļos var izmantot piespiedu akumulatoru sildīšanu, un, ja vilces baterijai ar jaudu vismaz 30 kilovatstundas ir pašapsildes resurss, tad 12 voltu startera akumulatoram tāda nav. Vēl viens faktors – litija baterijām nepatīk ilgstošas dīkstāves, turklāt ne tikai aukstumā. Baterija nonāk dziļāizlādē, un to atdzīvināt bieži vien ir gandrīz neiespējami. Protams, arī svina baterijas ir pakļautas pašizlādei, taču viena lieta ir nomainīt sabojājušos svina AKB, taču pavisam kas cits – nomainīt litija bateriju, kas maksā daudz dārgāk. M līnijas BMW īpašnieki, kuru auto ir ar litija akumulatoriem, jau sūdzējušies par AKB iziešanu no ierindas automašīnas ilgstošas dīkstāves dēļ. Baterijas nereaģēja ne uz “piepīpēšanu”, ne uz ārējiem lādētājiem. Ar šādu parādību ir saskārušies arī daži jauno M sērijas BMW pircēji Amerikā: akumulators sabojājās, kamēr klienta pasūtītā automašīna 2–3 mēnešus nāca no Eiropas. Citiem vārdiem sakot, tiek uzskatīts, ka mēs vēl ilgi lietosim svina akumulatorus. Tomēr kas zina, ko var sagaidīt, ņemot vērā pašreizējo tehnoloģiju attīstības ātrumu.
Kad notiks akumulatoru revolūcija?
Plašsaziņas līdzekļi vēsta, ka vēl mazliet un notiks brīnums – parādīsies īpaši kompaktas baterijas ar fantastisku kapacitāti un uzlādes ātrumu. Laiks iet, bet brīnums nenotiek. Kāpēc? Teorētiski izrāviens ir iespējams neķīmisko bateriju jomā, kaut arī tur viss nav tik vienkārši. Ar ķīmiskajām vielām revolūcija jau ir notikusi. Litija jonu bateriju izgudrošana bija tamlīdzīgu enerģijas avotu evolūcijas apogeja. Ķīmisko strāvas avotu pamatā ir oksidēšanas-reducēšanas reakcija starp elementiem. Eksistē tikai 90 dabas elementi, kas var piedalīties tādā reakcijā. Tātad, litijs ir katoda labākā aktīvā viela no tām, kas pastāv uz Zemes. Tam piemīt robežparametri: vismazākā masa, vismazākais elektrodu potenciāls (–3,05 V) un vislielākā strāvas slodze (3,83 Ah/g). Citu elementu izmantošana var uzlabot vienu parametru un neizbēgami pasliktināt citu. Tieši tāpēc jau 30 gadus turpinās eksperimenti tieši ar litija baterijām. Kombinējot materiālus, starp kuriem nemainīgi ir litijs, tiek izveidoti akumulatori ar nepieciešamajiem parametriem, kas tiek izmantoti noteiktā sfērā.
Apkope
1. LIN kopnes savienojums vāka iekšpusē
2. Piezīmes uz etiķetes
3. Liels atgāzēšanas savienojums vākā
Litija jonu akumulatoru nevar uzlādēt ar spriegumu, kas lielāks par 14 voltiem, un nevar arī izmantot ātras uzlādes programmas. Pārmērīga uzlādes sprieguma gadījumā litija jonu akumulatora ķēdes pārtraucējs var atslēgties, parādot attiecīgu ziņojumu aparatūras panelī. Šajā gadījumā spriegumu akumulatora spailēs nevar izmērīt, taču tas vēl nenozīmē, ka baterija ir bojāta. Baterija jāuzlādē tikai tad, ja baterijas temperatūra ir virs + 5°C. Ja absolūti nepieciešama uzlāde zem 5°C, maksimālā lādētāja strāva jānoregulē saskaņā ar šo tabulu.
Citi akumulatoru veidi
Litija kobalta (LiCoO2 vai LCO): darba spriegums 3,6 V, energoietilpība līdz 200 Wh/kg, resurss − apmēram 1000 ciklu. Izmanto viedtālruņos, planšetdatoros utt.Litija mangāna (LiMn2O4 vai LMO): 3,7 V, līdz 150 Wh/kg, apmēram 700 ciklu. Izmanto strāvas stiprumu prasīgā aprīkojumā, piemēram, elektroinstrumentos.
Litija niķeļa mangāna kobalta (LiNiMnCoO2 vai NMC): 3,7 V, līdz 220 Wh/kg, apmēram 2000 ciklu. Izmanto daudzos elektromobiļos, reizēm − atšķaidot ar litija mangāna šūnām.
Litija dzelzs fosfāta (LiFePO4 vai LFP): 3,3 V, līdz 120 Wh/kg, apmēram 2000 ciklu, maksimums − 10 000 ciklu (kapacitāte krītas līdz 50–60%). Izmanto autonomas elektroapgādes sistēmās ar vēja ģeneratoriem un saules baterijām, noliktavu tehnikā, elektrovelosipēdos, elektroskūteros, elektromobiļos utt. LFP baterijām ir mazāka pašizlāde un augsta noturība pret zemām temperatūrām.
Litija niķeļa kobalta alumīnija oksīda (LiNiCoAlO2 vai NCA): 3,6 V, līdz 260 Wh/kg, apmēram 500 ciklu, izmanto elektromobiļos. Mīnusi – augsta cena un paaugstināta ugunsbīstamība.
Litija titanāta (Li4Ti5O12 vai SCiB/LTO): 2,4 V, līdz 80 Wh/kg, apmēram 7000 ciklu (SCiB − 15 000 ciklu un vairāk). Uzlādējas līdz pilnai kapacitātei piecas reizes ātrāk un atdod desmit reizes augstāku strāvu nekā citas baterijas. Noturība pret aukstumu. Mīnusi – lieli gabarīti. Izmanto vieglajos elektromobiļos (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV) un daudzos elektrobusos.