Rychlé pokroky v chemii baterií v kombinaci s vyvíjejícími se návyky v oblasti mobility jsou výzvou pro tradiční přístup k optimalizaci výkonu baterie. Zde Dr. Doron Myersdorf, generální ředitel průkopníka extrémně rychlého nabíjení StoreDot, vysvětluje, proč musí výrobci baterií najít nové způsoby, jak zvýšit všestrannost výkonu baterií na chemické úrovni, aby podpořili rozmanitou škálu potřeb řidičů, a nastiňuje některé důsledky nové modely řízení pro širší odvětví EV.
Dr. Doron Myersdorf, CEO, StoreDot Odvětví elektrických vozidel (EV) se vyvíjí začínajícím tempem a nikde to není tak patrné jako v oblasti vývoje baterií. Radikální nové přístupy k chemii baterií umožňují vývojářům technologií překonat výzvy, které by ještě před pěti lety byly považovány za nemožné – jako je schopnost plně nabít elektromobil za pouhých pět minut. Cíl celé té dřiny? Optimalizovat zážitek z jízdy s elektromobilem a urychlit přechod na plně elektrickou mobilitu překonáním dnešní hlavní překážky přijetí – dojezdu a obav z nabíjení. Nicméně, jak se samotná chemie baterií neustále vyvíjí, začíná být zřejmé, že tradiční přístup tohoto odvětví k optimalizaci výkonu životního cyklu musí být také.
Začněme tím, že se zaměříme na způsob, jakým se výkon životnosti baterie tradičně měří. To je založeno na třech klíčových parametrech – hustotě energie, rychlosti nabíjení a počtu cyklů nabíjení-vybíjení. Tyto proměnné jsou úzce propojeny, což znamená, že pokud optimalizujeme jednu, ostatní se zhorší. Optimalizace baterie jako taková do značné míry závisí na nalezení nejlepší kombinace těchto tří parametrů. V mnoha ohledech jde o poměrně předvídatelný proces a znamená to, že pokud budeme baterii nabíjet šest hodin, víme, že pravděpodobně poskytne přibližně 2000 cyklů.
Příchod nových chemických vlastností baterií spolu s rostoucí propracovaností systémů správy baterií a měnícími se jízdními návyky však hru mění. Najednou už výkon baterie není tak deterministický; místo toho se může v průběhu času měnit v závislosti na způsobu jízdy a nabíjení vozidla. To znamená, že se musí změnit i naše myšlení. Faktem je, že nemůžeme pokračovat v optimalizaci výkonu baterie stejným způsobem jako dříve, jako statickou funkci. Musí souviset s profilem řidiče a musí být dynamický.
Pro vývojáře bateriových technologií je potřeba identifikovat zvyky budoucích řidičů elektromobilů obzvláště důležitá. Zatímco systémy řízení baterie nám dávají flexibilitu měnit určité parametry v průběhu času, pokud se potřeby řidiče změní – například pokud změní práci a náhle potřebují používat své auto častěji nebo na delší cesty – chemie baterie je opravena. To je důvod, proč je tak důležité zajistit, aby zvolené chemické složení a design baterie co nejvíce odpovídaly projektovaným potřebám řidiče.
Toto zjištění nás přivedlo k úvahám o tom, jak by měl vypadat řidič EV budoucnosti a jak to ovlivní jeho návyky při řízení a nabíjení. Ve skutečnosti budou existovat stovky různých profilů řidičů, ale pro jednoduchost se zaměřme pouze na tři. Za prvé je to matka na předměstí, která svůj vůz využívá především na krátké cesty a nabíjí své vozidlo přes noc doma. Na druhém konci spektra je obchodník, který pravidelně jezdí na dlouhé cesty a často přenocuje v hotelech; pro něj je nezbytné časté rychlé nabíjení. Pak je tu řidič, který spadá někde mezi tyto dva extrémy a používá své auto na krátké i dlouhé cesty, a proto vyžaduje pomalé i rychlé nabíjení.
U každého z těchto příběhů je důsledek specifikace baterie. Pokud se tedy například řidič vždy rychle nabíjí, musíme se podívat na to, jak optimalizujeme chemii na základě tohoto typu chování, abychom dosáhli nejlepšího kompromisu mezi hustotou energie a životností daného konkrétního řidiče.
Rychlé pokroky v chemii baterií v kombinaci s vyvíjejícími se návyky v oblasti mobility jsou výzvou pro tradiční přístup k optimalizaci výkonu baterie Existuje mnoho chemických a elektrochemických aspektů, které je třeba vzít v úvahu při optimalizaci složení a designu baterie na základě potřeb řidiče. To zahrnuje stanovení optimální kombinace grafitu, křemíku a/nebo jiných metaloidů v anodě, určení správného poměru zatížení katody k anodě a zajištění toho, aby horní a dolní mezní hodnoty vypínacího napětí baterie zůstaly v bezpečných mezích. Každé rozhodnutí, které učiníme, má však důsledky pro další prvky chemie a designu baterie, a proto je třeba toto vše vzít v úvahu během fáze návrhu.
Když jsme vyvinuli naši technologii extrémně rychlého nabíjení (XFC), jednou z klíčových výzev, kterou jsme museli překonat, bylo řídit expanzi křemíku během procesu rychlého nabíjení. Dosáhli jsme toho použitím nanočástic, které jsou spojeny do 3D struktury, aby poskytly prostor pro expanzi částic, aniž by to dramaticky ovlivnilo celkovou strukturu nebo objem anody. Při navrhování baterií, aby vyhovovaly konkrétnímu provoznímu modelu, musíme určit nejen nejlepší kombinaci materiálů pro optimalizaci parametrů, které jsou pro řidiče nejdůležitější, ale také to, jak každá kombinace ovlivňuje strukturu anody. Zatímco například baterie optimalizované jak pro XFC, tak pro pomalé nabíjení by mohly být dominantní jako křemík, pouze baterie XFC bude vyžadovat použití nanočástic pro řízení expanze křemíku během procesu rychlého nabíjení.
Aby to bylo ještě složitější, struktura anody je také ovlivněna typem elektrolytu a přísadami elektrolytu, které se používají jako součást vrstvy SEI, když se ionty pohybují od katody k anodě. Vzhledem k tomu, že výběr přísad závisí na tom, zda je baterie optimalizována pro XFC, pomalé nabíjení nebo někde mezi těmito dvěma, je to také třeba vzít v úvahu jako součást celkového návrhu anody.
Kombinace materiálů použitých v anodě také ovlivní horní a dolní meze vypínacího napětí baterie, takže toto je další proměnná, kterou je třeba vzít v úvahu ve fázi návrhu. Stejně tak musíme vzít v úvahu, jak provozní model vozidla ovlivní poměr zatížení katody k anodě (poměr C ku A) bateriového článku. Stanovení správného poměru C ku A je zásadní pro zajištění toho, aby v každém cyklu nabíjení a vybíjení došlo k plně reverzibilní reakci, což znamená, že veškeré lithium může být plně přeneseno tam a zpět mezi katodu a anodu. Při návrhu baterie můžeme zvětšit velikost katody nebo anody o přibližně 5 %, abychom vyrovnali přenos lithia, protože každá možnost nabízí jiný bod optimalizace. U baterie optimalizované pro rychlé nabíjení musí být katoda o něco větší, zatímco u baterie optimalizované pro pomalé nabíjení by se velikost anody mohla zvětšit.
Je důležité zajistit, aby chemické složení a design baterie EV co nejvíce odpovídaly plánovaným potřebám řidiče. To jsou jen některé ze způsobů, jak lze technologii baterií přizpůsobit tak, aby lépe vyhovovala vyvíjejícím se potřebám budoucích řidičů EV. Výhody přijetí zákaznicky orientovaného přístupu však daleko přesahují zlepšení výkonu baterie. Například zachycování dat o jízdních návycích ve velkém měřítku se ukáže jako neocenitelné pro poskytovatele infrastruktury při určování počtu a typu požadovaných nabíjecích bodů, tj. zda v každém konkrétním místě nasadit body pro pomalé nebo rychlé nabíjení.
To bude vyžadovat standardizovaný přístup ke shromažďování údajů a jejich šíření příslušným zúčastněným stranám. Tento proces by měl začít v místě nákupu, kdy prodejce položí řadu otázek, jako například „na stupnici 1–10, jak důležité je pro vás rychlé nabíjení?“. Dalším přístupem by bylo požádat zákazníka o povolení stáhnout si Google Driver Analytics, čímž získáte přístup k základním informacím, jako je průměrná doba jízdy, vzdálenost, rychlost jízdy a návyky nabíjení, pouhým stisknutím tlačítka. Prodejce pak bude moci svým zákazníkům pomoci vybrat nejen to nejlepší vozidlo pro jejich životní styl, ale také optimální typ baterie na základě jejich konkrétních jízdních a nabíjecích návyků.
Pokud se podíváme dále na silnici, uvidíme, že poslední zastávkou této cesty bude standardně nabízet plně přizpůsobené baterie. I když jsme v současné době daleko od dosažení tohoto cíle, je nezbytné, aby byly již nyní zavedeny nezbytné stavební kameny. Pouze pevným posazením řidiče na sedadlo řidiče úspěšně odemkneme další fázi vývoje baterií pro elektromobily.
Shromažďování údajů o jízdních návycích ve velkém měřítku bude pro poskytovatele infrastruktury neocenitelné při určování počtu a typu požadovaných nabíjecích bodů 