Vývoj baterií a historie elektromobility

1. Vývoj baterií a historie elektromobility Author: Tomáš Kazda

2. Základní části baterie: • Anoda • Katoda • Elektrolyt • Separátor Základní seznámení s problematikou Obr.1: Příklad Li-ion článku Obr.2: Typy akumulátorů dle konstrukce: A) Cylindrická, B) prismatická, C) Pouch 2

3. 1800 – Voltův článek (Alesandro Volta) 1859 – Olověný akumulátor (Gaston Planté) 1899 – Ni-Cd akumulátor (Waldemar Jungner) 1967 – Ni-MH akumulátor 1980 – Lithno-iontový akumulátor (John B. Goodenough) 1996 – Li-O2 bezvodý akumulátor (K. M. Abraham) Vývoj akumulátorů 3

4. Olověný akumulátor • V nabytém stavu tvoří kladnou elektrodu PbO2 (oxid olovičitý) a zápornou elektrodu houbovité olovo Pb s vysokou porositou a tedy i vysokým měrným povrchem. Jako elektrolyt je použita kyselina sírová. • Použití – startovací akumulátory, záložní zdroje a trakční akumulátory Olověnýakumulátor • Nevýhodami olověného akumulátoru jsou nízká gravimetrická (~ 40 Wh/kg) a volumetrická hustota energie (~ 70 Wh/l) • Výhodou je velká zatížitelnost spolehlivost v širokém rozsahu teplot, vysoká životnost, nízká pořizovací cena a snadná recyklace Obr.3: Startovací akumulátor 4

5. Olověnýakumulátor Obr.4: A) Vliv hloubky nabití na životnost olověného akumulátoru B) Zastoupení olověných akumulátorů na světovém trhu s akumulátory. 5

6. Ni-Cd akumulátor se skládá v nabitém stavu z kladné elektrody tvořené NiO(OH) (oxid hydroxidu nikelnatého) a záporné elektrody kterou tvoří kadmium. Jako elektrolyt se využívá KOH rozpuštěný ve vodě a napuštěný do separátoru. • Jmenovité napětí článku je 1,2 V • Použití menší přenosná zařízení, armáda, letectví • Výhodou je vysoká spolehlivost a životnost, nízké nároky na údržbu a velký rozsah pracovních teplot přibližně od -40 °C do 60 °C. • Nevýhodami paměťový efekt a obsah jedovatého kadmia Ni-Cd akumulátor 6

7. Kladná elektroda je opětovně složena v nabitém stavu z NiO(OH) a jako elektrolyt je použit vodný roztok KOH. Záporná elektroda je tvořena kovovou slitinou, která je elektrochemicky. • Použití – hybridní automobily, menší přenosná zařízení Ni-MH akumulátor • Výhodou oproti Ni-Cd je absence paměťového efektu a jejich menší ekologická zátěž. • Nevýhodami pak menší rozsah pracovních teplot a větší samovybíjení 15-25 % za měsíc vs.  10-15 % za měsíc u Ni-Cd Obr.5: Ni-MH akumulátor Toyota Prius 2010-2015 7

8. Li-ion akumulátory Obr.6: Příklady využití Li-Ion akumulátorů. 8

9. Jedná se o nejnovější bateriovou technologii která se stále rozvíjí. • Hlavními výhodami jsou vysoká teoretická kapacita lithia a nejzápornějším potenciálem -3,04 V vBeketovově řadě kovů • Velký rozvoj nastal po roce 1980 při objevu LiCoO2 (Goodenough) Li-ion akumulátory • První komerční nasazení v roce 1991 firma Sony využívala LiCoO2 jako katodu. • Nevýhodou je pak vyšší cena , citlivost na správné zacházení s akumulátorem a menší rozsah provozních teplot Obr.7: První Li-ion akumulátor SONY 9

10. Vysoký potenciál • Vysoká gravimetrická hustota energie • Vysoká volumetrická hustota energie • Dlouhá životnost • Malé samovybíjení • Poměrně široké možnost optimalizace akumulátoru k danému použití • Neobsahují nebezpečné kovy jako kadmium nebo olovo Li-ion akumulátory 10

11. Od roku 1991 kdy byly Li-Ion akumulátory uvedeny na trh se jejich kapacita ztrojnásobila z původních 80 Wh/kg na ~ 250 Wh/kg a současně cena poklesla desetinásobně z původních 3200 $/kWh na 200 $/kWh. Li-ion akumulátory Obr.9:Typy katodových materiálů dostupných na trhu a jejich zastoupení v roce 1995, 2010, 2014, 2016 a 2017; LCO: LiCoO2, NMC: LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, LMO: LiMn2O4, NCA: LiNi0,8Co0,15Al0,05O2, LFP: LiFePO4 • Obr.8: Vývoj zastoupení výroby jednotlivých typů akumulátorů s výjimkou olověných 11 Obr.10: Růst celosvětové produkce katodových materiálů

12. Li-ion akumulátory Obr.11: Prognóza vývoje trhu s Li-Ion akumulátoryc • Celosvětová spotřeba energie za 1 min - 40 GWh (2015) • Průměrná denní spotřeba ČR - 163,6 GWh (2016) • Spotřeba Plzeňského kraje v červenci 2016 – 214,36 GWh 12

13. Historie elektomobility Obr.12: První koncept elektromobilu Ányos István Jedlík Obr.13: První komerční elektromobil z UK 1884 Thomas Parker 13 Obr.14: První Český elektromobil 1885 František Křižík

14. Historie elektomobility Obr.15: První hybridní automobil Lohner-Porsche Mixte • Výroba mezi 1900-1905 • Vyrobeno 300 kusů • Elektromotory v kolech • Každý elektromotor asi 3 k špičkově 7 k • Cena 14400 až 34028 Rakouských korun (80000-200000 USD dnes) 14

15. Historie elektomobility Obr.16: 1.6.1889překonání rychlosti 100 km/h (105,8 km/h) elektromobil La JamaisContente výkon 68 k 15 Obr.17: Pokus o překonání rychlosti 200 km/h 1903 BakerTorpedo

16. Historie elektomobility Obr.18: BMW 1602 E – letní Olympijské hry Mnichov 1972 – 32 kW, dojezd min 42 km 16 Obr.19: Enfield 8000 prodáno asi 150 ks dojezd 80-140 km

17. Historie elektomobility Obr.20: General Motors EV1 (1996-1999) Obr.21: VW Golf CitySTROMer (1993-1998) 17 Obr.22: Citroen Saxo/ Peugeot 106e

18. Historie elektomobility Obr.23: Tesla Roadster a Tesla S 18 Obr.24: NissanLeaf

19. Historie elektomobility Obr.25: Tesla Gigafactory Představena 1.4.2016 – 18.5.2016: 470382 rezervací 19

20. Historie elektomobility 20

21. Děkuji za pozornost 21