Červen 2009 RF048
Lithio-iontové baterie – výzvy a milníky ve vývoji pro použití automobilovém průmyslu
Dr. Joachim Fetzer Výkonný Vice prezident SB LiMotive
Přednáška k 59. mezinárodnímu kolokviu pro motoristický tisk Boxberg, červen 2009
Robert Bosch GmbH Postfach 10 60 50 70049 Stuttgart Corporate Communications E-Mail
[email protected] Telefon: +49 711 811 - 6282 Telefax: +49 711 811 - 7656 Leitung: Prof. Uta-Micaela Dürig Presse Forum:
Vážené dámy, vážení pánové,
Byť spalovací motor bude i v následujících 20 letech disponovat nespornými výhodami, elektromobilu patří z dlouhodobého hlediska budoucnost. Do té doby, než se elektromobily stanou součástí každodenního provozu na našich silnicích, budou existovat překlenovací technologie, které vydláždí cestu k jízdě na čistě elektrický pohon – slabé (mild), silné (strong) a zásuvkové (plug-in) hybridy nebo elektromobily s vybavením “range extender“ – s malým spalovacím motorem, který v případě potřeby může nabíjet baterii. Obě auta, jak hybridní, tak i elektromobil, potřebují výkonný akumulátor pro elektrickou energii. Tato energie vzniká buď rekuperací při brzdění, pochází z generátoru poháněného range extenderem, nebo se prostě „natankuje“ ze zásuvky. Téměř všichni výrobci automobilů a jejich dodavatelé se shodují v jednom: Pro akumulaci energie je nejvhodnější baterie s lithio-iontovou technologií. Tak je tomu i u společností Bosch a Samsung SDI, které za tím účelem zřídily společný podnik SB LiMotive s cílem dalšího rozvoje technologie lithio-iontových baterií pro použití v automobilech. Proč lithio-iontová technologie? Proč lithio-iontové baterie? V současné době se v hybridních vozidlech používají ještě nikl-metalhydridové baterie. Jejich vývojový potenciál je však považován z větší části za vyčerpaný. Lithio-iontová technologie má ze střednědobého a dlouhodobého hlediska mnohem lepší perspektivy. Tento poznatek se opírá o řadu předností, které tato technologie vykazuje. Lithio-iontový článek má podstatně lepší hustotu výkonu a na základě vyššího jmenovitého napětí i vyšší hustotu energie, než nikl-metalhydridové články. Dalšími přednostmi jsou jeho vysoká cyklická odolnost, a dlouhá životnost a Podstatně nižší samovolné vybíjení. To znamená, že pokud svůj elektromobil v budoucnu necháte během dovolené stát, baterie se téměř nevybije. 2z7
Kromě toho se tato technologie osvědčila již ve spotřebitelské elektronice: lithio-iontové baterie dodávají elektrickou energii mobilním telefonům, notebookům i u různým druhům ručního nářadí s elektrickým pohonem značky Bosch. Na základě těchto aspektů připadá lithio-iontovým technologiím role favorita v klíčových technologiích pro elektrifikaci pohonu. Požadavky na lithio-iontové technologie pro aplikaci v automobilech jsou ovšem podstatně vyšší než v oblasti spotřebitelské elektroniky. Tomu odpovídá i náročnost úkolů, které si musejí naši inženýři při dalším rozvoji této technologie vytyčit. Příklad: pro přemístění elektromobilu o hmotnosti 1 000 kilogramů na vzdálenost 200 kilometrů potřebujeme baterii s cca 35 kilowatthodinami. Taková baterie by dnes stála přibližně 500 EUR za 1 kilowatthodinu – při 35 kilowatthodinách tedy kolem 17 000 EUR. Náklady na baterii jsou tudíž v současné době ještě příliš vysoké na to, aby bylo možno vozidla s elektrickým pohonem nabízet za atraktivní ceny. Má-li kromě toho činit dojezd přes 200 km, jak dle aktuálních průzkumů řidiči u elektromobilu minimálně vyžadují, byla by výkonnost baterie ještě příliš nízká. A dnešní baterie by kromě toho ani nevydržely po celou dobu životnosti automobilu. Aby byly lithio-iontové baterie vhodné pro využití v automobilech, stanovili jsme si v SB LiMotive pro vývojové práce následující cíle:
•
výrazné zvýšení hustoty výkonu a energie lithio-iontových baterií,
•
výrazné snížení nákladů na baterie,
•
další zvýšení cyklické odolnosti a životnosti,
•
přizpůsobení baterií bezpečnostním standardům v automobilovém průmyslu.
Pro dosažení těchto cílů se v dalším vývoji našich baterií orientujeme na tři úrovně: 3z7
•
na chemické součásti jednotlivých bateriových článků a jejich konstrukci,
•
na integraci článků do bateriového modulu,
•
na systém řízení baterií, který slouží ke kontrole a regulaci jednotlivých článků.
Vyšší kapacita výkonu a energie Hybridní vozidla a elektromobily kladou na hustotu energie a výkonu rozdílné požadavky. Pro zvládnutí větších vzdáleností je do baterie nutno uložit více energie. U elektromobilů má proto přednost větší hustota energie. U hybridních vozidel stojí v popředí výkon: v krátkém časovém rozpětí je nutno hodně energie uložit a opět vydat. V současné době to dělá u bateriového článku pro hybridní aplikaci kolem 3000 wattů na kilogram specifického výkonu a cca 85 watthodin na kilogram specifické energie, u energetického článku pro elektromobily kolem 100 watthodin na kilogram. Při zvyšování hustoty energie a výkonu optimalizujeme v první řadě materiály používané v chemickém složení článků. Touto cestou chceme do roku 2012 dosáhnout hustoty výkonu přes 4 000 wattů na kilogram u hybridních aplikací a hustoty energie větší než 150 watthodin na kilogram u elektromobilů. Důležité parametry lithio-iontových baterií se během tří let zvýší o 30 až 40 procent. Požadavky hybridních vozidel a elektromobilů se liší i u nabíjecích cyklů. U hybridního pohonu je rozhodující hustota výkonu, to znamená, že během krátké doby je možno naakumulovat a odebrat velké množství energie. Je tomu tak zejména při zpětném získávání energie – tedy při brzdění a při zrychlení. Baterie se však přitom šetří – vybíjí se vždy jen minimálně a ve skutečnosti se typicky využije méně než dvacet procent její kapacity. Z důvodu vysokého počtu nabití a vybití musíme baterii dimenzovat na více než jeden milion nabíjecích cyklů. U elektromobilu stačí jen 2500 až 3000 nabíjecích 4z7
cyklů. Pro dosažení přijatelných dojezdů se zde však nabíjí například na 80 procent, což baterii zatíží výrazně víc, a ta potom rychleji stárne. Oba typy baterií by měly v budoucnu vydržet po celou dobu životnosti vozidla. To znamená životnost více než dvanáct let nebo proběh 250 000 kilometrů. Lithio-iontová baterie má výhodnou teplotu – zjednodušeně řečeno teplotu lidského těla. Nejlépe se cítí při teplotě mezi plus15 °C až plus 45 °C. V automobilu se však může teplota okolí pohybovat od minus 30 °C do plus 60 °C. Při nízkých teplotách výkonnost baterie slábne. S rostoucí teplotou naproti tomu klesá její životnost. To vyžaduje promyšlený teplotní management. Dá se jím jak zpomalit proces stárnutí, tak i zvýšit životnost a cyklická odolnost bateriového článku. Teplotní management však potřebuje energii i pro sebe – zvláště pro chlazení. Aby se tato potřeba energie snížila, je možno například zvýšit maximální teplotu, při které se články smějí provozovat. Jedním z našich vývojových cílů je rozšíření pracovního teplotního rozsahu článku vhodnou volbou materiálů a optimalizací konstrukce. Bezpečnost Abychom vyhověli vysokým požadavkům automobilového průmyslu, věnujeme se intenzivně i tématu bezpečnosti. U chemického složení bateriových článků sázíme mimo jiné na elektrolyty odolné vůči vysokým teplotám a na nehořlavé materiály. U kompletních baterií se soustředíme na kontrolu článků: systém managementu baterií průběžně registruje a reguluje sílu proudu a napětí i teplotu a stav dobití baterií. Tímto způsobem je baterie chráněna před příliš velkým vybitím nebo přehřátím. Promyšlený tepelný management zajistí, že baterie pracuje stále v optimálním, a tím i bezpečném teplotním rozsahu a je tak zaručeno bezpečné fungování za jakéhokoliv provozního stavu. Nárazuvzdorný obal modulů zabezpečí, že bateriové články přežijí bez poškození i dopravní nehodu. V této 5z7
souvislosti hraje významnou roli i bezpečnost místa, kde je baterie v autě zabudována. A v neposlední řadě klademe vysoké požadavky na své výrobní procesy, abychom dostáli kvalitativním požadavkům i co do bezpečnosti. Nízké náklady na baterie Posledním aspektem zůstává cena. Hraje klíčovou roli, jedná-li se o to, jak elektromobil zatraktivnit pro konečného zákazníka. Při svých jednáních s výrobci automobilů dnes hovoříme téměř výhradně o výrobě baterií pro malosériové hybridní vozy a elektromobily. Pro použití v elektromobilech je nutno mít velkou baterii s velkým obsahem energie, to znamená s velkým počtem článků, abychom docílili odpovídajícího dosahu. Zřetelným zvýšením specifického výkonu a specifické energie materiálů každého článku můžeme například v budoucnu snížit počet článků. Baterie tím bude lehčí a především levnější. Snížení nákladů dosáhneme rovněž vysokou produkcí. Vyšším objemem nákupu surovin a rostoucí standardizací komponentů bude baterie i cenově výhodnější. Kromě toho získáme zkušenosti, díky nimž bude možno procesní náklady ve výrobě bateriových článků během příštích let krok za krokem snižovat. Patří k tomu výhodnější výroba chemických surovin stejně tak jako integrace článků do bateriových modulů ve velkosériové výrobě. Obecně počítáme s tím, že u baterie dokážeme dosáhnout do roku 2015 nákladů ve výši cca 350 EUR za kilowatthodinu – přibližně dvou třetin dnešních nákladů. Tím by náklady na baterie pro náš úvodem zmíněný elektromobil činily zhruba 12 000 EUR.
Dámy a pánové, je zjevné, kolik vývojové práce máme ještě před sebou, než bude lithio-iontová baterie pro automobily schopná velkosériové výroby. 6z7
Výsledky, kterých jsme v naší společnosti SB LiMotive mezitím dosáhli, nám dávají důvod k optimistickému tvrzení, že uvedené technické požadavky zvládneme. Proto plánujeme v SB LiMotive start sériové výroby bateriových článků pro hybridní vozidla na rok 2011 a sériovou výrobu článků pro elektromobily na rok 2012. Start výroby příslušných bateriových systémů bude následovat vždy krátce poté.
Děkuji Vám za pozornost.
7z7
