Brzo punjenje (DC Fast Charging): uticaj visokih struja na degradaciju baterija

Brzina kao imperativ i elektrohemijska barijera

Sa usponom ere električnih vozila (EV), inženjeri širom sveta primenili su najčudesnija tehnološka rešenja u svrhe ublažavanja glavnog straha kupaca – straha od ograničenog dometa (eng. range anxiety). I dok je dodavanje stotina kilograma baterijskih ćelija jedno od najgrubljih rešenja kako bi se vozilu pružio domet preko 500 kilometara, suštinski izazov u masovnoj adaptaciji leži u sposobnosti automobila da se napuni energijom onom brzinom kojom smo to inače radili točeći benzin na benzinskoj pumpi.

Na taj način rodila se industrija i mreža takozvanih stanica za brzo jednosmerno punjenje (DC Fast Chargers – Direct Current), poput čuvenih sistema proizvođača Ionity, Electrify America ili mrežnog sistema Tesla Supercharger. Ovi masivni, spoljni ispravljački sistemi zaobilaze skromne "on-board" AC ispravljače prisutne u samom automobilu i "bljuju" zastrašujuće količine jednosmerne energije direktno u baterijski paket ispod putnika – od skromnih 50 kW, preko popularnih 150 kW, pa sve do vrhunskih 350 kW na naprednim 800-voltnim arhitekturama vozila (kao kod Porsche Taycana i Hyundai Ioniq 5).

Ali fizička realnost sveta nosi sa sobom surovu cenu: zakoni termodinamike i elektrohemije nam kazuju da za svaki ekstremni izliv energije, sistem mora da plati određeni penale u domenu entropije. U ovom dubinsko-stručnom tekstu analiziraćemo šta se to na nivou mikroskopske strukture dešava u ćeliji pod naletima od stotina ampera, i da li brutalna brzina punjenja donosi tihu smrt srcu vašeg električnog ljubimca.

Atomska gužva: Litijumsko presvlačenje (Lithium Plating)

Da bismo ilustrovali degradaciju, moramo razjasniti proces regularnog (sporog) punjenja. Tokom punjenja litijum-jonske ćelije, joni litijuma (Li+) se otkidaju sa katode, prolaze (difunduju) kroz mikroporozni plastični separator potopljen u tečni organski elektrolit, i ulaze u strukturu anode, najčešće sačinjene od grafitnih listića. Ovaj proces uvlačenja jona litijuma između slojeva grafita naziva se stručno interkalacija. Kod blagih, niskih struja (na primer punjenje od 11 kW na trofaznoj kućnoj utičnici tokom cele noći), litijumovi joni putuju polako, pronalaze "parking mesto" (prazninu) unutar grafita, apsorbuju elektron koji dolazi spoljašnjim strujnim kolom (kroz žice iz punjača) i uredno se slažu u stabilan oblik.

Međutim, kada na ultra-brzom DC punjaču (stanici od 150 kW ili 250 kW) kompjuter naredi ekstremno ubrizgavanje elektrona, nastaje mikroskopski "stampedo". Joni litijuma jure stravičnom brzinom preko elektrolita u pravcu anode. I tu nailazimo na problem uskog grla: kristalna grafitna rešetka ima svoj fizički limit kojom brzinom može apsorbovati i progutati te jone u svoje unutrašnje praznine. Brzina prodiranja zavisi od jonske difuzione i površinske kinetike na granici faza.

Kada brzina kojom joni stižu (nametnuta od masivne struje na kablu) premašuje brzinu kojom se oni mogu interkalirati u grafit, na snagu stupa fatalni mehanizam razaranja – litijumsko presvlačenje (Lithium Plating).

Umesto da uđu na sigurno unutar grafitnih slojeva, joni litijuma se gomilaju na samoj površini grafitne elektrode, dodiruju nadiruće elektrone iz žice i dešava se termodinamička noćna mora: oni postaju čisti metalni litijum stvrdnut na samoj površini anode, kao sloj naslaga (presvlaka). Ovaj izolovni metalni "mrtvi litijum" tragično je izgubljen za sledeća pražnjenja (gubi se trajno raspoloživi kapacitet baterije, ćelija postaje 'slabija'), a ukoliko situacija izmakne kontroli, te metalne naslage rastu u igličaste kristale – smrtonosne dendrite – koji poput koplja probijaju unutrašnji zid separatora i uzrokuju unutrašnji kratki spoj i plameni inferno (Thermal Runaway).

[!CAUTION] Fenomen litijumskog presvlačenja najizraženiji je pri niskim temperaturama. Ukoliko pokušate ultrabrzo napuniti promrzlu bateriju, grafit je izuzetno "tvrd" na primanje jona. Upravo zato svi moderni EV automobili poseduju opciju pred-kondicioniranja baterije (Battery Pre-Conditioning) – oni pomoću PTC grejača usijavaju bateriju na skoro 35°C do 45°C dok vozite autoputem ka punjaču, kako bi se difuzija litijumovih jona višestruko ubrzala i ublažio ovaj fenomen.

Fizički stres materijala: Termalno zlostavljanje i mikropukotine

Pored litijumskog presvlačenja (plating-a), stotine ampera (često 300A pa i preko 500A na Tesla sistemima) sudaraju se sa unutrašnjim otporom ćelija, strujnih kontakata, releja i kablova. Kada struja (I) teče kroz otpornik (R), stvara se nepoželjna toplotna energija izražena Joulovim zakonom grejanja: $$ P = I^2 \times R $$ Pošto udvostručavanjem struje stvaranje toplote raste na kvadrat puta (četvorostruko), paketi baterija tokom masivnih DC punjenja mogu generisati i po 15 kilovata čiste vatrene disipacije unutar sebe! To je ekvivalent petnaest snažnih TA peći upaljenih unutar prostora ispod vašeg sedišta. Ovu ogromnu vatrenu stihiju moraju besomučno crpiti sistemi tečnog, najčešće glikolskog, aktivnog hlađenja u automobilu – zbog čega ćete čuti veoma glasan urlik ventilatora ispod branika dok punite na stanici za brzo punjenje.

Međutim, hladni fluid hladi samo zidove aluminijumske kasete, dok su same unutrašnjosti cilindričnih ili mekih (pouch) ćelija suočene sa brutalnim vrelinama. Ovaj termički i mehanički stres vrši masivna zapreminska razvlačenja materijala (disanje ćelije – bubrenje grafitnih čestica do 10% prilikom primanja jona litijuma, i skupljanje prilikom otpuštanja).

Ubrzano punjenje čini ovo razvlačenje surovim udarcem čekića po kristalima. Katodne čestice (kao slojevi oksida nikla i kobalta) doživljavaju mikro-pukotine u svojoj makroskopskoj formi, a zaštitni tanki organski film na površini anode – takozvani SEI sloj (Solid Electrolyte Interphase) – gori, buja i cepa se. Svaki put kada se SEI sloj pocepa zbog stresa od toplote, ćelija troši deo dragocenog, tečnog litijuma (i elektrolita) da ga iznova zaleči. Trošenje tog litijuma kroz desetine DC ciklusa polako vodi u degradaciju. Kapacitet neminovno opada, vaš "health" (SOH parametar baterije) pokazuje 92%, a vi možete preći manje kilometara iz meseca u mesec.

Uporedna tabela: Uticaj brzine na stres mehanizama baterije

Kriva punjenja (Charging Curve): Softverski spasilac automobila

Ako pogledate bilo koji grafički test punjenja novog automobila, primetićete da ta famozna reklamirana brzina punjenja (npr. "Puni sa 250 kW") traje samo neznatan vremenski period. Kada auto dođe na punjač gotovo potpuno isisanog rezervoara (oko 5% ili 10% SOC - State of Charge), to znači da je anoda 'izuzetno gladna' i ogromna većina grafitnih 'parking mesta' zjapi potpuno prazna. U takvom scenariju, inženjerski BMS može da 'otvori slavine' do daske (isporuči maksimalnih 250 kW), jer je u prvim minutima brzina ulaska jona ograničena difuzijom samo unutar elektrolita.

Ali, kako napunjenost prelazi oko 40%, a potom i 60%, praznih mesta u anodi je sve manje. Kroz elektrolit pluta ogroman broj jona koji besomučno grebu po površini tražeći rupu u koju da se smeste. BMS (Battery Management System), odnosno centralni nadzorni kompjuter na automobilu, u tom trenutku beskompromisno mora početi softverski da "guši" dotok ampera sa javnog punjača.

Zato na grafiku brzina punjenja nikada nije ravna crta. Ona polako propada (najčešće po formi padajuće stepeničaste krive ili oblog propadanja). Kada SOC vašeg vozila dosegne čarobnih 80% napunjenosti, brzina padne na bednih 40 kW ili 20 kW. Ako bi auto dozvolio punjaču da nastavi da pumpa amperažu kada je auto na 85% i pun jona (kada vlada užasna "gužva"), litijumsko presvlačenje i pritisak bi momentalno rascepili i uništili ćeliju. Iz inženjerskog aspekta gledano, najduži i najbolniji proces je sabijanje tih poslednjih 20% energije unutra na visokim radnim naponima; to je faza gde elektrohemija vapi za nežnošću i zbog toga savršeno podseća na sabijanje zadnjih komada robe u prepun kofer – poslednjih par majica morate polako da slažete da ne pocepate patent zatvarač na koferu.

Zaključak: Kako čuvati bateriju?

Svakodnevna vožnja na masivnom brzo punjenju nije predviđena industrijskim parametrima, niti je finansijski isplativa (kilovat na autoputu je stravično skup). Brzo punjenje je dizajnirano za prevazilaženje međugradskih barijera i daleka putovanja, dok se oko 90% potreba EV rešava laganim AC punjenjem na poslu ili kući. Ukoliko idete na dug put i prinuđeni ste da stanete na brzi Ionity ili Tesla punjač, poštujte zlatno inženjersko pravilo za smanjenje stresa: podesite limit zaustavljanja na 80% (ili prekinite proces i krenite dalje kada vidite da je punjenje usporilo na neisplative brzine). Pomoći ćete elektrohemiji vaših baterija da lakše diše, eliminisaćete brutalni naponski stres na SEI zaštitni sloj pred kraj ciklusa i drastično ćete izbeći degradaciju koja nezaustavljivo pogađa sve sisteme izložene termalnoj torturi velikih brzina.

Reference

• Tomaszewska, A., et al. (2019). Lithium-ion battery fast charging: A review. eTransportation, 1, 100011.
• Waldmann, T., et al. (2018). Review—Lithium plating in lithium-ion batteries: A key indicator for safety and lifetime limits. Journal of The Electrochemical Society.
• Dahn, J. R., et al. (2021). Istraživačke baze i analize o naprednom termalnom monitoringu, Dalhousie University, Canada.