Akumulator gromadzący energię elektryczną służącą do napędzania samochodu elektrycznego to jedna z najważniejszych części składowych takiego pojazdu. Mówi się o nim „bateria”. To jej cena stanowi obecnie o wysokich kosztach zakupu elektryka. Co to jest i jak jest zbudowana?
Akumulator trakcyjny (zwany również baterią trakcyjną lub cykliczną czy po prostu baterią) jest magazynem energii stosowanym do napędzania pojazdów elektrycznych. Składa się z połączonych ze sobą elementów – ogniw (stąd nazwa „bateria”). Ogniwa, w liczbie kilku do wielu tysięcy lub całe bloki komórek, umieszczone są równolegle i szeregowo, co powoduje, że baterie w pojazdach elektrycznych mogą osiągać spore rozmiary i umieszczane są zwykle w podwoziu.
Akumulator trakcyjny w samochodach elektrycznych ma napięcie znamionowe od 350 do 400 woltów, odpowiadające zwykłemu trójfazowemu prądowi przemiennemu. Do zasilania świateł, wycieraczek, radia, pilota, itp. pojazdy elektryczne zwykle nie używają swojej wysokonapięciowej baterii trakcyjnej, ale standardowego 12- lub 48-woltowego systemu elektrycznego ze zwykłym akumulatorem, podobnym do akumulatora rozruchowego w konwencjonalnych samochodach.
W porównaniu z bateriami do urządzeń elektrycznych lub zwykłymi bateryjkami powszechnego użytku, ogniwa akumulatora trakcyjnego mają dużo większą pojemność. Ponadto najczęściej na życzenie producentów samochodów elektrycznych, są one przez dostawców konstruowane i produkowane w bardzo różnych kształtach i wzorach. Znormalizowane rozmiary nie istnieją. Zazwyczaj są to komórki okrągłe, w których elektrody są wykonane w kształcie pręta i walca, na przykład wyroby amerykańskiej firmy A123 Systems, jak również akumulatory o komórkach prostopadłościennych, gdzie elektrody o kształcie płyty są montowane naprzemiennie, np. chińskiej firmy Winston Battery Ltd.
Podczas gdy bloki ołowiowych baterii rozrusznika samochodu spalinowego na 12 V lub 24 V mają pojemności rzędu 36-80 amperogodzin (AH), a wózki widłowe komórki o pojemności od 100 do 1000 AH i napięcie robocze od 24 do 96 woltów, to napięcia akumulatorów trakcyjnych do samochodów elektrycznych mogą osiągnąć nawet kilkaset woltów. Wyższe napięcie zmniejsza wartość płynących prądów, zmniejszając straty opornościowe oraz obniżając do akceptowalnych poziomów temperatury pracy i ładowania (mniejsze straty energetyczne) oraz obniżają wagę własną (lżejsze okablowanie). Poprzez szeregowe wzajemne połączenie poszczególnych ogniw powstaje napięcie napędowe (trakcyjne). Zwiększając rozmiar komórek lub łącząc komórki równolegle, można zwiększyć pojemność akumulatora i jego obciążenie prądowe. Z połączenia napięcia trakcyjnego i ładunku elektrycznego (pojemności galwanicznej pojedynczych, połączonych równolegle komórek) powstaje pojemność energetyczna akumulatora napędowego.
Stosowane do napędu samochodów elektrycznych akumulatory (i materiały użyte do konstrukcji) muszą spełniać bardzo wiele, często trudnych do pogodzenia, a czasem wręcz sprzecznych, właściwości. Najważniejsze i podstawowe to: pewność i niezawodność działania, długi czas bezawaryjnej pracy bez żadnych zauważalnych zmian pogarszających właściwości użytkowe, niskie koszty produkcji i użytkowania, brak lub niewielkie obciążenia dla środowiska naturalnego. Do tego dochodzą jeszcze dwie właściwości najważniejsze z punktu widzenia kierowcy samochodu elektrycznego: możliwie wysoka gęstość energii i użytkowa moc dyspozycyjna, które pozwalają przejechać na jednym maksymalnie krótkim ładowaniu, jak najdłuższy dystans.
Trzeba pamiętać, że każdy akumulator to po prostu pojemnik na energię, rodzaj zbiornika wyrównawczego, podobnie jak zbiornik wody dla hydroelektrowni albo elektrowni szczytowo-pompowej. Praktycznie wszystkie używane dzisiaj do napędu samochodów elektrycznych akumulatory to baterie, gdzie anodą jest lit w różnych postaciach i formach, a katodą tlenki różnych metali. Elektrolitem są płynne, organiczne roztwory soli metali, a ze względów bezpieczeństwa coraz częściej są to żele półpłynne lub o stałej konsystencji. Dodatkowo komórki separowane są od siebie specjalnymi ściankami oddzielającymi z foli polietylenowej lub polipropylenowej (to powód, dla którego temperatura baterii nie może przekroczyć 130 stopni, w jakiej topnieje folia), a elektrody chronione przed powstawaniem dendrytów (odkładających się cząstek stałych pogarszających właściwości) przez specjalne siatki ochronne. Wszystko to służy do tego, by gęstość energii i relacja energii do wagi były jak największe, jako że obie te wartości przekładają się bezpośrednio na zasięg jazdy. O degradacji baterii w EV i mitach na ten temat, znajdziesz tutaj.
Czy bateria litowo-jonowa, która pozwoliła wskrzesić samochody elektryczne (więcej: o historii i różnicach między EV, a samochodem spalinowym) będzie jedyną technologią stosowaną do napędzania pojazdów? Obecnie poszukiwane są liczne nowe rozwiązania, sprawdzane są nowe substancje. Ostatnio głośno jest o dwuwartościowym magnezie, mającym zastąpić jednowartościowy (a więc zawierający dwukrotnie mniej elektronów) lit, bardzo trudno dostępny i występujący w ograniczonych zasobach. Badane są nowe elektrolity zawierające metale takie jak kobalt czy nikiel i związki pierwiastków ziem rzadkich. Na razie nie ogłoszono żadnej rewolucji. Badania trwają. Wyścig do Eldorado, gdzie tani i lekki akumulator na jednym krótkim ładowaniu pozwoli przejechać 600-700 km nabiera tempa. Kiedy i jak się zakończy? Zobaczymy.
