Στα απόκρυφα μιας μπαταρίας!

Nίκος Mαρινόπουλος

Εισαγωγή
Αρκεί να σκεφτείς πως σε ένα κινητό τηλέφωνο ζυγίζουν μερικές δεκάδες γραμμάρια· σε ένα laptop μερικές εκατοντάδες (ένα το κρατούμενο). Αρκεί να σκεφτείς πως οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων (li-ion) χρησιμοποιούνται ευρέως στην αγορά πάνω-κάτω εδώ και μια δεκαετία (δύο τα κρατούμενα).

Τώρα, πάρτε και τα δύο κρατούμενα μαζί, συνδυάστε τα και προφανώς γίνεται αντιληπτό τι τεχνογνωσία απαιτείται για να εξελιχθούν οι μπαταρίες των ηλεκτροκίνητων οχημάτων που ζυγίζουν αρκετές δεκάδες κιλά (π.χ. του Nissan Leaf και του Chevrolet Volt πλησιάζουν τα 300 και 200 kg αντίστοιχα) με το 1/3 της απόδοσής τους να χάνεται σε βάθος μία δεκαετίας.

Που καταλήγει κανείς; Αναλύοντας μία μικρή μπαταρία σε ρόλο κομπάρσου (όπως συμβαίνει σχεδόν σε κάθε υβριδικό, π.χ. το επερχόμενο Audi Q5 Hybrid) ίσως να διαπιστώστε και εσείς πως πρακτικά τα EV δεν είναι τόσο κοντινά όσο θα θέλαμε (1 & 2). Λέτε να ισχύει το αντίθετο; Πόσο θα βελτιωθεί η προσφερόμενη από τις μπαταρίες αυτονομία; Με τον χρόνο επαναφόρτισης τι γίνεται; Το κόστους τους θα μειωθεί; Όπως και να χει είναι μία καλή ευκαιρία να μιλήσουμε για ορισμένα χαρακτηριστικά των μπαταριών στις οποίες θα αναφερόμαστε όλο και πιο συχνά…

Ερωτήσεις & απαντήσεις

-Τι είναι η μπαταρία ή συσσωρευτής;

Ένα ρεζερβουάρ ενέργειας που βασίζεται σε μία απλή αρχή λειτουργίας. Στην δημιουργία διαφοράς δυναμικού (τάσης) ανάμεσα σε δύο διαφορετικά στοιχεία (ηλεκτρόδια) όταν αυτά βρίσκονται σε ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη. Μία μπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα ηλεκτροχημικά στοιχεία που με λίγα λόγια μετατρέπουν την χημική σε ηλεκτρική ενέργεια.

-Ποια πρέπει να είναι τα κύρια χαρακτηριστικά τους;

Μια συστοιχία συσσωρευτών που προορίζεται για ένα EV θα πρέπει να έχει υψηλή πυκνότητα ενέργειας, μεγάλο κύκλο ζωής, απουσία φαινομένων «μνήμης» (επίδρασης των προηγούμενων φορτίσεων/εκφορτίσεων στην απόδοση της μπαταρίας), γρήγορη φόρτιση, υψηλό βαθμό απόδοσης, μεγάλη αξιοπιστία, χαμηλό κόστος, υψηλή απόδοση φόρτισης/εκφόρτισης, μεγάλο εύρος λειτουργίας μεταξύ χαμηλών και υψηλών θερμοκρασιών, πολύ χαμηλό ρυθμό αυτό-εκφόρτισης, καλό βαθμό θερμοκρασίας αποθήκευσης, χαμηλή εσωτερική αντίσταση, δυνατότητα ανακύκλωσης κ.α.

-Ποια είναι τα κύρια μεγέθη τους;

• Πυκνότητα ισχύος (W/kg) => η ροή της ισχύος ανά μονάδα μάζας ή του βάρους της μπαταρίας. Υποδηλώνει και την μέγιστη ισχύ που μπορεί να προσφέρει ένας συσσωρευτής και βάση αυτού εξαρτώνται οι επιδόσεις ενός οχήματος (επιτάχυνση, τελική ταχύτητα).
• Ενεργειακή πυκνότητα μάζας (Wh/kg) => εκφράζει την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα μάζας (ή βάρους της μπαταρίας).

Είναι μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους για κάθε μέσο μεταφοράς. Για παράδειγμα το Nissan Leaf εξοπλίζεται με μπαταρίες λιθίου-ιόντων 200 kg.

Οπότε, βάση του πίνακα στην θεωρία ισχύει: 0,20 kWh/kg x 200 kg = 40 kWh

Άρα βάση της βενζίνης με 13,11 kWh/kg ειδικής ενέργειας αποθήκευσης 200 kg καυσίμου ισούνται με 2.622 kWh! Περίπου 100 φορές περισσότερη ενέργεια. Κάπως έτσι εξηγείται και η μικρότερη αυτονομία των EV.

• Ενεργειακή πυκνότητα όγκου (Wh/m3) => το συνολικό φορτίο που μπορεί να αποθηκεύσει μία μπαταρία ανά μονάδα του όγκου της. Ισχύει για συγκεκριμένη περίοδο φόρτισης/εκφόρτισης και καθορίζει το μέγεθος (όσο μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα τόσο μικρότερος ο όγκος της μπαταρίας.
• Ποσότητα ενέργειας => όπως και στα κινητά τηλέφωνα μετριέται σε αμπερώρες (Ah). Μια μπαταρία 10 Ah υποδηλώνει πως παρέχει 1 Amp συνεχούς ρεύματος (μόνο DC υπάρχει στις μπαταρίες) για 10 h ή 5 Amp για 2 h και πάει λέγοντας.

Ποια η διαφορά του W με την Wh σε ένα ΒEV (Battery Electric Vehicle); Το Watt μετρά την ισχύ, όπως και σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο. Η «βατώρα» (Wh) εκφράζει την απόσταση που μπορείς να διανύσεις με ένα EV. Ένα μέσο BEV μπορεί να διανύσει περίπου 6-8 km ανά kWh (π.χ. το Leaf με 24 kWh έχει αυτονομία 160 km)

• Βαθμός απόδοσης => η μετατροπή ενέργειας από ηλεκτρική σε χημική έχει απόδοση της τάξης του 80%. Η μετατροπή της χημικής ενέργειας του πετρελαίου σε μηχανική δεν ξεπερνά το 20%.

-Πόσοι τύποι μπαταριών υπάρχουν;

• Μολύβδου-οξέος (PbO2)=> πρόκειται για κλασικό τύπο συσσωρευτών που βρήκα ευρεία χρήση μέχρι και τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Αξιόπιστες και φτηνές αλλά με μεγάλο βάρος και μικρή ενεργειακή πυκνότητα με μικρό κύκλο ζωής.
• Νικελίου-καδμίου (Ni-Cd) => έχουν καλή ενεργειακή πυκνότητα, ταχεία φόρτιση και δεν μεταβάλλον εύκολα την θερμοκρασία τους. Ωστόσο, παρουσιάζουν πρόβλημα “μνήμης” μετά από καιρό ενώ το κάδμιο είναι ένα στοιχείο που επιβαρύνει το περιβάλλον όταν πλέον η μπαταρία είναι άχρηστη.

• Νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) => έχουν μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα, σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής και μικρότερο κόστος από τις μπαταρίες λιθίου. Λόγω της αξιοπιστίας και της αντοχής τους οι μπαταρίες Ni-MH αποτελούν την αγαπημένη λύση των υβριδικών Toyota και Honda και ειδήμων στον συγκεκριμένο τύπο θεωρείται η Panasonic EV Energy.
• Νατρίου-χλωριούχου νικελίου (Na-NiCl2) => ανήκουν στην κατηγορία των συσσωρευτών τηγμένων αλάτων και κύριο χαρακτηριστικό τους είναι οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Αποκαλούνται και ως Zebra. Εμφανίστηκαν κατά τον B’ Παγκόσμιο Πόλεμο και χρησιμοποιήθηκαν στους πυραύλους V2. Σήμερα η χρήση τους έχει περιορισθεί από τις λιθίου.
• Νατρίου-θείου (Na-S) => Τα πολλά και θετικά πλεονεκτήματά τους εξανεμίζονται από την υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας που μπορεί να φτάσει και τους 350 C. Παρόλο που χρησιμοποιήθηκαν σε αρκετά πρωτότυπα αυτοκίνητα (BMW E-1, Fiat Downtown, Mercedes-Benz A-Class) την δεκαετία του 1990 η χρήση τους έχει περιορισθεί σε στατικές εφαρμογές.

*Ξεχωριστό ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μηχανικές μπαταρίες, γνωστές και ως σφόνδυλος

-Ποιος είναι ο επικρατέστερος τύπος;

Λόγω της ενεργειακής πυκνότητας, της καλής μνήμης, του κύκλου ζωής και άλλων πλεονεκτημάτων οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων χωρούν περισσότερη ενέργεια με τον ίδιο όγκο (π.χ. με τις τύπου NiMH). Για αυτό το λόγο είναι η πρώτη επιλογή στον τομέα των ηλεκτρονικών αλλά και των EV. Στα μειονεκτήματα το υψηλό κόστος, η πτώση της απόδοσης στις υψηλές θερμοκρασίες (για αυτό δροσίζονται) και η μεταβολή τους στις απότομες αλλαγές τάσης. Επίσης, η υπερφόρτιση και η υπερεκφόρτιση μειώνει την διάρκεια ζωής τους. Εναλλακτικά υπάρχουν και άλλοι συνδυασμοί μπαταριών λιθίου (πολυμερών, φωσφορικού σιδήρου, οξειδίου μαγνησίου κ.α.) δίχως όμως να υπερτερούν σε απόδοση της λιθίου-ιόντων.

-Τι είναι το λίθιο και που βρίσκεται;


Είναι ένα μέταλλο που ζυγίζει περίπου το ½ του νερού. Ωστόσο, όταν το λίθιο έρθει σε επαφή με το νερό εκρήγνυται. Τα μεγαλύτερα αποθέματα βρίσκονται στην περιοχή Salar Uyuni στην Βολιβία. Έχει υπολογιστεί πως καλύπτουν 10.582 km2 και αντιστοιχούν περίπου στο 50-70% της παγκόσμιας ζήτησης. Άλλες περιοχές που είναι πλούσιες σε λίθιο είναι η Χιλή (32.600 tn), η Αυστραλία (28.200 tn) κ.α. H ετήσια παγκόσμια παραγωγή εκτιμάται στους 120.000 tn. Αξίζει να σημειωθεί πως πριν από μερικούς μήνες είχε προκαλέσει αίσθηση η είδηση για τεράστια αποθέματα λιθίου στο Αφγανιστάν δίχως όμως να έχει επιβεβαιωθεί κάτι τέτοιο ακόμη.

-Πως κατασκευάζονται;

Απλά παρακολουθείστε το παραπάνω βίντεο…

-Μετά το λίθιο τι έπεται;

Ένας πολλά υποσχόμενος τύπος μπαταριών είναι ο ψευδαργύρου-αέρα (Zinc-air) ενώ υπάρχουν πολλές παραλλαγές με κύριο στοιχείο τον ψευδάργυρο που είναι πιο κοινό, συνηθισμένο και φτηνότερο από το λίθιο. Χονδρικά στις μπαταρίες Metal-air η μετακίνηση ηλεκτρονίων δεν απαιτεί διάλυμα ή ηλεκτρολύτες. Φανταστείτε κάτι σαν τις ενεργειακές κυψέλες όπου ο αέρας περνά από διάφορα στρώματα οξειδώνοντας τον ψευδάργυρο όπου τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται δημιουργούν το ηλεκτρικό φορτίο.

Έχουν πολύ μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τις li-ion, είναι φτηνότερες κατασκευαστικά και πιο σταθερές στις μεταβολές φορτίου.Για να αντιληφθείτε το πλεονέκτημα των μπαταριών μετάλου-αέρα (metal-air) μία συστοιχία βάρους 100 kg μπορεί θεωρητικά να προσφέρει αυτονομία σε ένα μέσο EV της τάξης των 700 km! Το βασικό πρόβλημα που εμποδίζει την διάδοσή τους στα EV είναι ο μικρός κύκλος ζωής (περίπου έως 500) ενώ ο χρόνος φόρτισης/εκφόρτισης είναι παρόμοιος με τις li-ion. Ο Thomas Edison είχε κατασκευάσει μια μπαταρία nickel-zinc το 1901.

-Επηρεάζει την ανθρώπινη υγεία το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο των μπαταριών;

Την συγκεκριμένη ερώτηση την άφησα εσκεμμένα για το τέλος. Οι απόψεις για το πόσο επηρεάζει το πεδίο EMF (electromagnetic field) που δημιουργούν οι μπαταρίες την ανθρώπινη υγεία διίστανται. Οι κατασκευαστές ισχυρίζονται το ευνόητο, πως όλες οι τιμές είναι κάτω από τα προβλεπόμενα όρια. Ωστόσο, ανεξάρτητες μελέτες που έχουν γίνει κυρίως σε υβριδικά έχουν δείξει πως το EMF που δημιουργείται κυρίως γύρω από τον αγωγό που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια από την μπαταρία στον ηλεκτροκινητήρα θα πρέπει να μας ανησυχεί. Το caroto.gr θα πραγματοποιήσει προσεχώς εκτενές ρεπορτάζ γύρω από το θέμα, για αυτό μείνετε… διαδικτυωμένοι!

caroto.gr