Li-ion vs. LiFePO4 aneb proč vyrábíme Li-ion baterie

Vyrábíme baterie pro elektrokola s Li-ion články. Proč?
Chceme mít plnou kontrolu nad výrobou a dodávat akumulátory v ještě vyšší kvalitě. Chceme být flexibilnější a vyrábět ty modely baterií, které jsou aktuálně potřeba. A v neposlední řadě raději dáme práci kvalifikovaným a šikovným lidem v ČR.

Máme k tomu znalosti?
Po více než třinácti letech zkušeností se stavbami zakázkových akumulátoru, dále diagnostikou a servisem čínských baterií všeho druhu, si troufáme řící, že víme dost na to, abychom dokázali stejný akumulátor vyrobit lépe a s lepšími parametry. Jsme velice rádi, že jsme se k vlastní výrobě tehdy odhodlali.

Proč neupřednostňujeme LiFePO4 technologii článků?
Technologie LiFePO4 na rozdíl od Li-ion nových generací (NMC, NCA) za poslední léta neudělala významný pokrok v energetické hustotě, takže s nimi nelze nabídnout velkokapacitní akumulátory pro elektrokola. Prostě se do existujících boxů velká LiFePO4 baterie nevejde. Jsou také podstatně těžší a dražší na stejnou kapacitu. Průmyslová výroba akumulátorů z normalizovaných cylindrických Li-ion článků 18650 nebo 21700 je jednodušší a tedy i levnější, protože všechny články jsou jeden jak druhý. U LiFePO4 čínských výrobců musí dojít nejdříve k roztřídění článků, protože se článek od článku parametrově drobně liší a je záhodno stavět (někteří levní výrobci to neřeší) akumulátor z článků co možná nejpodobnějších. Také je u Li-ion snadné přejít na nové typy článků v budoucnu, protože formát 18650 a 21700 zůstane zachován.

Životnost Li-ion vs. LiFePO4
Životnost je stále hlavní trumf LiFePO4 článků a dlouholetá zkušenost nám to dokazuje. Jenže 1000 a více nabíjecích cyklů nemá význam zdaleka pro každého. U běžného elektrokola to znamená celkový dojezd s kapacitou nad 70% cca 60 000 Km a u 99% uživatelů dříve akumulátor „umře na sešlost věkem“, než takovou porci kilometrů najedou. Všechny akumulátory totiž určitým způsobem stárnou i bez ohledu na to, zda jsou používány, či nikoliv.

Značkové Li-ion články moderních chemických složení elektrolitu ( např. LiNiMnCo02 – Samsung, LiNiCoAl02 – LG) poskytují běžnému spotřebiteli zcela dostačující životnost s poklesem kapacity na 70% případně 83% po 500 celých vybíjecích cyklech (tedy cca 30 000Km). Nicméně startovací kapacita za stejnou pořizovací cenu bývá zpravidla vyšší, než u LiFePO4.

Kdy se tedy vyplatí LiFePO4
Při každodenním a celoročním používání (LiFePO4 lépé snáší nízké venkovní teploty), například když s elektrokolem dojíždíte do práce. Napětí LiFePO4 je také o něco vyšší, motor s ním má tedy také nepatrně vyšší maximální otáčky, tidíž i maximální rychlost.

Jsou Li-ion články vhodné pro větší výkony motoru?
Jak které. Ty, které používáme my, ano. Jeden článek zvládne sám o sobě dodat 8A až 10A (speciální 15-25A), přitom i v těch nejmenších akumulátorech jsou z pravidla minimálně 4 články paralelně, jsou tedy schopny dodat až 40A. Pro představu, klasický příšlapový systém 250W si vezme maximálně 12-14A. U kapacitně velkých akumulátorů, určených pro silná elektrokola je článků paralelně až 8, tedy dodají až 80A, což na 48V znamená, že teoreticky s takovým akumulátorem lze napájet až 4000W motor. Prakticky nikoliv, protože ochranná elektronika BMS maximální vybíjecí proud omezí.

Srovnání kapacit Li-ion vs. LiFePO4
Ukážeme si na příkladu dříve nejpoužívanějšího a nejpopulárnějšího nosičového akumulátoru 36V/10Ah LiFePO4 docking. Níže uvidíte srovnávací tabulku:

A co bezpečnost Li-ion článků?
Kvalitně vyrobený Li-ion akumulátor pro elektrokolo s neošizenými ochrannými obvody (BMS) není o nic méně bezpečný než LiFePO4. Kdyby byly Li-ion články nebezpečné, nemohly by být například v elektromobilech, jako je Tesla model S. Je ale pravda, že je obtížnější „přinutit“ (tzn. se o to aktivně snažit) k zahoření LiFePO4 nežli Li-ion článek. 

Samozřejmě se snažíme bezpečnost packů maximalizovat, takže používáme třeba více izolací, než je obvyklé, vyrábíme aku pouze do rastrů (články jsou od sebe oddělěny mezerou), používáme speciální pojistné prvky a některé klíčové ochrany jsou zdvojené. Používané BMS obvody také prošly měřením ve zkušebně a snažíme se striktně plnit všechny bezpečnostní normy pro výrobu Li-ion akumulátorů.

Nebezpeční ale paradoxně není ve většině případů na straně samotného akumulátoru, ale známé a popsané případy selhání a zahoření Li-ion aku u nás i ve světě měla na svědomí zpravidla vadná nabíječka. Proto klademe velký důraz i na parametry námi dodávaných nabíječek.

Jaké Li-ion články používáme a proč?
Máme kontrakt na dodávku Li-ion článků Samsung, Panasonic, Murata (Sony), LG typu 18650 či 21700 z přímých evropských distribučních kanálů. Mají jasný oficiální původ, stáří i korektní způsob skladování. Neprovádíme „šedý“ dovoz článků z Číny, kde nelze zaručit pravost článků (na obal vám v Číně dnes natisknou cokoliv), nelze zjistit kdy byly vyrobeny a jak byly posléze skladovány. Tyto údaje mají přitom kritický vliv na kvalitu a životnost celého akumulátoru.

Je každý akumulátor se značkovými články automaticky dobrý?
Každý světový výrobce produkuje různé řady Li-ion článků 18650 pro odlišné aplikace. Na to hřeší někteří čínší výrobci, kteří do svých akumulátorů použijí kvůli marketingu levné modely značkových článků. Ty však často nejsou určeny pro trakci, a při jejich použití v elektrokole může být jejich životnost i poloviční. Není tedy důležitá informace, že v akumulátoru jsou články Samsung, ale jaké. V našem případě nejvíce osvědčené profi trakční články 22P, 29E a 35E. Pochopitelně velkou roli hraje také kvalita použitého BMS obvodu a kvalita zkompletování akumulátoru. Sebelepší články nic nezmůžou, pokud jsou špatně nabodované (svařené) nebo nejsou správně chráněné elektronikou.

K čemu slouží BMS (Battery management system)?
Integrovaný obvod BMS obsahuje všechny ochrany akumulátoru. Například ochrana nadproudu, aby z akumulátoru nebylo možno odebírat větší proud, než jaký vydrží články a ostatní části. Dále důležitá ochrana podbití, aby se akumulátor vypnul dříve, než by se články podbily pod mez, kdy by hrozilo jejich nevratné poškození. U kvalitních BMS jsou dále přítomny ochrany proti zkratu, případně teplotní ochrana. Některé dále poskytují funkci tzv. soft startu (weak current systém), kdy lze akumulátor signálově zapínat a vypínat například za pomoci tlačítka. Důležitou součástí BMS jsou balanční obvody. Na ně je napojený každý paralelní segment článků a obvod jednotlivé segmenty mezi sebou neustále porovnává a snaží se vyrovnat (vybalancovat) jejich napěťové hodnoty. To přináší obecně delší životnost při vyšší kapacitě akumulátoru.

Vyrábíme atypické akumulátory na zakázku?
Ano, ale nikoliv kusově. Abychom mohli s klidným svědomím nést za výrobek odpovědnost, musí se správně navrhnout, vyrobit prototyp a ten intenzivně testovat. S výrobou prototypů nám velice pomáhá 3D tisk, ale i tak jde o práci velmi časově náročnou a je třeba ji zaplatit nebo cenu vývoje rozprostřít do větší série finálně vyráběných akumulátorů.

Používá se 3D tisk i v seriové výrobě?
Ano, u některých typů akumulátorů, kde výrobce obalu nedodává originální rastry pro osazení článků (cell holdery), tiskneme vlastní technické rastry. Mechanické vlastnosti jsou přitom srovnatelné. Více se ale 3D tisk uplatňuje u prototypování a v následné malosériové produkci. Nejvíce se pak využívá u repasí akumulátotů, kdy absolutní většina repasovaných čínských akumulátorů původně vůbec žádné cell holdery nemá a články jsou lepeny na sebe vzájemně. To samo o sobě není nic proti ničemu, ale osazení článků do rastrů, kde je mezi nimi vzduchová mezera, je prostě lepší a bezpečnější. A proto k tomu přistupujeme i u repasí.