Τύποι Μπαταριών Οχημάτων

Η μπαταρία είναι μια συσκευή η οποία αποθηκεύει χημική ενέργεια και την αποδεσμεύει με τη μορφή ηλεκτρισμού. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ηλεκτροχημικές διατάξεις όπως η γαλβανική στήλη. Η ανάπτυξη των μπαταριών άρχισε με την κατασκευή της Βολταϊκής στήλης από τον Αλεσάντρο Βόλτα. Εικάζεται όμως ότι κάποια αντικείμενα, που χρονολογούνται γύρω στο έτος 600 μ.Χ. και είναι γνωστά σαν Μπαταρίες της Βαγδάτης, είχαν χρησιμοποιηθεί τότε για την παραγωγή μικρής ποσότητας ηλεκτρισμού.

Ευρεία χρήση έχουν στα αυτοκίνητα έχουν οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές μόλυβδου – οξέος, στους οποίους σαν ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται διάλυμα θειϊκού οξέος με πυκνότητα 1,18 – 1,29 gr/cm3 και σαν ηλεκτρολύτες διοξειδίου του μόλυβδου ΡbΟ2 και σπογγώδης μόλυβδος. Κατά την εκφόρτιση γίνεται η αντίδραση: PbΟ2 + Pb + 2Η2SO4-> 2PbSO4 + 2H2O, ενώ η τάση και η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη ελαττώνονται. Οι μέσες τάσεις είναι: κατά την εκφόρτιση 1,98 V και κατά τη φόρτιση 2,4 V. Μια τυπική μπαταρία αυτοκινήτου διαθέτει 6 στοιχεία αποδίδοντας περίπου 12 V.

Οι «κλασικοί» συσσωρευτές μολύβδου-οξέος, όμως (με ηλεκτρολύτη σε στερεά μορφή – gel, ήταν μέχρι και τις αρχές της δεκαετίας του ’90, η πρώτη επιλογή για τα διάφορα ηλεκτροκίνητα οχήματα λόγω -κυρίως- του χαμηλού κόστους τους, της μεγάλης αξιοπιστίας, την αμελητέα «μνήμη» και τη σχετικά χαμηλή αυτοεκφόρτιση. Από την άλλη μεριά, όμως, έχουν μεγάλο βάρος (και κατά συνέπεια μικρή ενεργειακή πυκνότητα), οπότε επιβαρύνουν το όχημα με αρκετά επιπλέον κιλά. Επίσης μειώνεται σημαντικά η διάρκεια ζωής τους σε περιπτώσεις ταχείας φόρτισης και σχεδόν πλήρους εκφόρτισης που απαιτείται κατά τη χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων. Στην περίπτωση, μάλιστα, που έχουμε να κάνουμε με μπαταρίες ανοιχτού τύπου και υγρό ηλεκτρολύτη, απαιτείται και ο ανεφοδιασμός τους με απεσταγμένο νερό.

Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου (Ni-Cd) έχουν κατά 1,3 φορά μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, δεν επηρεάζονται τόσο πολύ από τις μεταβολές της θερμοκρασίας, μπορούν να φορτιστούν σε μικρό χρονικό διάστημα αν χρειαστεί (ταχεία φόρτιση), ενώ μπορούν επίσης να ανακτήσουν τη χωρητικότητά τους αν μείνουν αφόρτιστες για μεγάλο χρονικό διάστημα. Στα μειονεκτήματα των συσσωρευτών αυτού του τύπου περιλαμβάνεται το αυξημένο κόστος, η «μνήμη» -εμφανίζουν καλύτερα χαρακτηριστικά σε σχεδόν πλήρη εκφόρτιση πριν από την επαναφόρτισή τους, αλλά και το πρόβλημα περισυλλογής του Cd, μετά το τέλος της ζωής των συσσωρευτών, καθώς αυτό είναι υλικό που μολύνει το περιβάλλον.

Η μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) είναι και αυτή ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας παρόμοια με τη νικελίου-καδμίου (ΝιCd). Οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) έχουν ακόμα μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα (1,7 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των μπαταριών μολύβδου), δηλαδή περίπου 70 Wh/kg (140 Wh/L). Μια μπαταρία Ni-MH χρησιμοποιεί ως αρνητικό ηλεκτρόδιο ένα κράμα που έχει την ικανότητα να απορροφά το υδρογόνο. Το μέταλλο (Μ) στο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μια διαμεταλλική ένωση που περιέχει νικέλιο, ενώ ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται υδροξείδιο του καλίου. Η τάση κατά τη φόρτιση είναι 1,4-1,6 V ανά στοιχείο, ενώ κατά την εκφόρτιση η τάση του ρεύματος είναι 1,25 V.

Οι μπαταρίες Ni-MH έχουν το μειονέκτημα ότι η απόδοσή τους επηρεάζεται αρνητικά στις υψηλές θερμοκρασίες.

Τα πλεονεκτήματά τους είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής τους η αξιοπιστία τους, ενώ το κόστος τους είναι χαμηλότερο από εκείνο των μπαταριών λιθίου. Μπαταρίες αυτού του τύπου συναντάμε στα υβριδικά Toyota και Honda.

Συστοιχία μπαταριών NiMH. Σε κάθε συστοιχία (πορτοκαλί σωλήνα) βρίσκονται 6 στοιχεία και συνολικά το σύστημα αποτελείται από 20 συστοιχίες

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και η βελτίωση των υπαρχόντων σηματοδοτεί τις μπαταρίες ιόντων λιθίου σε αποκλειστικό ΄΄συνεργάτη΄΄ για τα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα.

Τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEVs – Hybrid Electric Vehicles), τα Plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles), και τα ηλεκτρικά οχήματα (EV – Electric Vehicles) εξακολουθούν να κερδίζουν την κοινωνική αποδοχή ως βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για τα βενζινοκίνητα οχήματα. Είναι σαφές λοιπόν ότι αυτά τα οχήματα θα χρειαστούν κατάλληλες μπαταρίες, ελαφριές όσο γίνεται, μικρές σε όγκο, με μεγάλη ισχύ και χωρητικότητα. Μπαταρίες λοιπόν ιόντων λιθίου (Lithium-ion) γίνονται όλο και μεγαλύτερης αποδοχής ενώ ως εναλλακτική πηγή ισχύος θεωρούνται και οι μπαταρίες νικελίου υδριδίου μετάλλου (NiMH).

Αν και το κόστος εξακολουθεί να παραμένει ακόμη υψηλό, η εφαρμογή νέων τεχνολογιών στην παραγωγή, η αύξηση της ίδιας της παραγωγής εξασφαλίζουν μπαταρίες υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας με χαμηλότερο κόστος. Σήμερα η απόκτηση τεχνογνωσίας και εμπειρίας έχει οδηγήσει τους λίγους σημερινούς κατασκευαστές μπαταριών σε σημαντικά βήματα βελτιώσεων. Παραδειγμα η LG Chem/CPI για τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα της αγοράς, έχει αναπτύξει μια προσαρμοσμένη χημική μέθοδο καθόδου – ανόδου που βελτιστοποιεί την απόδοση των μπαταριών ακόμη και σε ακραίες συνθήκες χωρίς να θυσιάζει τη ζωή της μπαταρίας.

Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Περισσότερη ισχύς, λιγότερο βάρος και ενεργειακή λύση φιλική προς το περιβάλλον

Ενώ οι μπαταρίες NiMH είναι η κυρίαρχη τεχνολογία για τα υβριδικά οχήματα HEVs αυτή τη στιγμή, η μετάβαση σε μπαταρίες ιόντων λιθίου έχει ήδη αρχίσει. Αυτό γιατί οι μπαταρίες NiMH έχουν περιορισμούς αφ ενός όσον αφορά τη τήρηση της ισχύος και αφετέρου στις καθημερινές απαιτήσεις πολλών εφαρμογών. Επίσης οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παρέχουν ισοδύναμη ενέργεια για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα σε παρόμοιο μέγεθος και στο μισό το βάρος των αντίστοιχων μπαταριών NiMH ενώ είναι και λιγότερο επιβλαβείς για το περιβάλλον από ότι οι μπαταρίες NiMH. Σύμφωνα με διάφορες μελέτες, μπαταρίες ιόντων λιθίου θα χρησιμοποιηθούν στα υβριδικά οχήματα HEVs τα επόμενα χρόνια ενώ το σύνολο των κατασκευαστών θα υιοθετήσει αυτή την τεχνολογία τα επόμενα 10 χρόνια. Η παραγωγή αυτών των τύπων μπαταριών και η εφαρμογή τους για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και άλλες φορητές συσκευές είναι ήδη μεγάλη. Η μεταφορά τεχνολογίας από αυτές τις μικρότερες μπαταρίες σε μεσαίες και μεγάλου μεγέθους μπαταρίες ιόντων λιθίου για εφαρμογές HEV είναι φυσικό να λαμβάνει χώρα με γρήγορους ρυθμούς.

Θέση μπαταριών TOYOTA PRIUS. (1) Μπαταρίες, (2) Σύστημα ασφάλισης – απασφάλισης πρίζας, (3) Μοτέρ ψύξης

Συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μπαταριών

Η επιτυχία των μελλοντικών αυτοκινήτων που κινούνται με ηλεκτρικές μπαταρίες και των υβριδικών αυτοκινήτων σχετίζεται από τη χωρητικότητα της μπαταρίας (πυκνότητα ενέργειας) – παρέχοντας έτσι πολύ μεγαλύτερη ανεξαρτησία κίνησης με μια φόρτιση “plug-in”. Υπό αυτήν την προοπτική, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν σημαντικά μεγαλύτερη χωρητικότητα σε σχέση με τις μπαταρίες Ni- MH.

Έχουν επίσης και ένα άλλο πλεονέκτημα – την διάρκεια ζωής – εκτιμάται ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για περίπου 10 χρόνια, αριθμός διπλάσιος από αυτόν για τις μπαταρίες Ni-MH.

Εν συντομία, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φαίνεται να είναι το κλειδί για την ηλεκτροκίνηση των αυτοκινήτων. Η βιομηχανία εξακολουθεί να εργάζεται για να εξασφαλίσει τη μαζική παραγωγή των μπαταριών και την αντοχή τους στη καθημερινή χρήση από τα οχήματα. Αλλά υπάρχουν και άλλα εμπόδια που πρέπει να υπερνικηθούν, το πρώτο είναι το κόστος τους και το δεύτερο η ασφάλεια.

Τα συστήματα μπαταριών έχουν την χαρακτηριστική ιδιότητα σύμφωνα με την οποία όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα ενέργειας τόσο υψηλότερος να είναι ο κίνδυνος μη ελεγχόμενης διάχυσης ενέργειας – γεγονός που εν δυνάμει οδηγεί σε πυρκαγιές ή και ακόμη χειρότερα φαινόμενα.

Αυτό όμως μπορεί να αντιμετωπιστεί από τους κατασκευαστές για την υπάρχουσα τεχνολογία μπαταριών, μέσα από πρόσθετα συστήματα ασφάλειας των μπαταριών αυτών.

Πρόκειται για μια παρενέργεια που παρουσιάζεται στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και λαμβάνει χώρα, όταν ο χρήστης τις φορτίζει σε άτακτα χρονικά διαστήματα, διακεκομμένα και χωρίς να έχουν αποφορτιστεί εντελώς. Το πρόβλημα εντοπίζεται στα υλικά, από τα οποία αποτελείται η μπαταρία, και τα οποία, αν παραμείνουν ανενεργά για κάποιο χρονικό διάστημα, κρυσταλλοποιούνται, δεσμεύοντας μόνιμα στη δομή του υλικού τους τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία δεν μπορούν πλέον να μετακινηθούν από την κάθοδο στην άνοδο.

Όταν λοιπόν μία μπαταρία, για μεγάλα χρονικά διαστήματα, δεν αποφορτίζεται εντελώς, τότε τα ηλεκτρόνια, που δεν έχουν κινηθεί, ενσωματώνονται και δημιουργούν οξείδια, τα οποία καθιστούν τις πλάκες ανενεργές. Το πρόβλημα ονομάστηκε «φαινόμενο μνήμης», για να υπενθυμίζει στους χρήστες ότι η μπαταρία «θυμάται» την κακή της χρήση και εκδικείται. Σήμερα, όμως, το πρόβλημα έχει ελαχιστοποιηθεί στις μπαταρίες νέου τύπου Νί-ΜΗ, ενώ δεν εμφανίζεται καθόλου στις μπαταρίες Li-Ion και Li-ΡοΙ, επειδή τα υλικά τους δεν οξειδώνονται.