ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗ – ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ Ni-MH και Li-Ion

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει σαν στόχο την μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου κατά 80% έως το 2050. Για να γίνει αυτό εφικτό θα πρέπει οι οδικές μεταφορές να έχουν σχεδόν μηδενικές εκπομπές CO2, κάτι που με τα τωρινά δεδομένα θεωρείται αδύνατον. Η λύση βρίσκεται στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και στην χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν δημιουργήσει ηλεκτρικές ή υβριδικές παραλλαγές για πολλά μοντέλα τους.

Τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα σύμφωνα με τον τρόπο απόκτησης της ενέργειας κίνησης, διακρίνονται σε:

  1. BEVs (Battery Electric Vehicles): Ηλεκτρικό όχημα με μπαταρίες
  2. PIEVs (Plug-In Electric Vehicles): Ηλεκτρικό-υβριδικό όχημα
  3. HEVs (Hybrid Electric Vehicles): Υβριδικό όχημα
  4. FCEVs (Fuel Cell Electric Vehicles): Ηλεκτρικό όχημα με κυψέλες καυσίμου

Η μετάβαση στα υβριδικά οχήματα από τα συμβατικά σηματοδοτεί την χρήση νέων τεχνολογιών και την μετάβαση από τους συσσωρευτές μολύβδου-οξέος σε μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) – UN no 3496, Class 9

Εικόνα 1. Συστοιχία μπαταριών Ni-MH. Σε κάθε συστοιχία (πορτοκαλί σωλήνα) βρίσκονται 6 στοιχεία και συνολικά το σύστημα αποτελείται από 20 συστοιχίες.

Η μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) είναι και αυτή ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας παρόμοιος με τη νικελίου-καδμίου (Νι-Cd). 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).

Τα χημικά συστατικά των μπαταριών αυτών είναι:

Ni: 17.9% κ.β.
Co: 4,4% κ.β
Σπάνιες γαίες (REE): 17,3% κ.β.

Τα βασικά συστατικά της μπαταρίας Ni-MH είναι:

  • Θετικό ηλεκτρόδιο – κάθοδος, που αποτελείται από οξυ-υδροξείδιο του Ni το οποίο ανταλλάσσει ένα πρωτόνιο στην αντίδραση φόρτισης-εκφόρτισης, με αποτέλεσμα την πολύ μικρή αλλαγή στο μέγεθος και υψηλό επίπεδο μηχανικής σταθερότητας που με την σειρά του έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερο κύκλο ζωής.
  • Αρνητικό ηλεκτρόδιο -άνοδος αποτελείται από ένα κράμα που έχει την ικανότητα να απορροφά το υδρογόνο. Το μέταλλο (Μ) στο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μια διαμεταλλική ένωση που περιέχει νικέλιο.
  • Ηλεκτρολύτης είναι ένα υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου, με πολύ υψηλή αγωγιμότητα. Έχει παρατηρηθεί ότι η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη παραμένει σχεδόν σταθερή κατά την διάρκεια του κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης.

Οι μπαταρίες Ni-MH έχουν το μειονέκτημα ότι η απόδοσή τους επηρεάζεται αρνητικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Τα πλεονεκτήματά τους είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής, η αξιοπιστία τους, ενώ το κόστος τους είναι χαμηλότερο από εκείνο των μπαταριών λιθίου.

Εικόνα 2. Αντιδράσεις φόρτισης-εκφόρτισης σε συσσωρευτές Ni-MH (Πηγή: global.kawasaki.com)

Μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-Io) – UN no 3480, Class 9 (UN no 3481, 3091 ενσωματωμένες)

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και η βελτίωση των υπαρκτών αναδεικνύει 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 αποδοχή του κοινού ως βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για τα βενζινοκίνητα οχήματα. Είναι σαφές λοιπόν ότι αυτά τα οχήματα θα χρειαστούν τις κατάλληλες μπαταρίες, όσο πιο ελαφριές γίνεται, μικρές σε όγκο, με μεγάλη ισχύ και χωρητικότητα. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium-ion) γίνονται όλο και περισσότερο αποδεκτές, ενώ ως εναλλακτική πηγή ισχύος θεωρούνται και οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH).

Εικόνα 3. Hitachi μπαταρία ιόντων λιθίου (www.tosynergeio.gr)

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, αλλά και την αντοχή τους στην καθημερινή χρήση. Υπάρχουν όμως και κάποια εμπόδια που πρέπει να υπερνικηθούν: το πρώτο είναι το κόστος και το δεύτερο η ασφάλειά τους.

Τα συστήματα μπαταριών έχουν μια χαρακτηριστική ιδιότητα από την οποία προκύπτει ότι: όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα ενέργειας τόσο υψηλότερος είναι ο κίνδυνος της μη ελεγχόμενης διάχυσης ενέργειας – γεγονός που μπορεί ενδεχομένως να οδηγήσει σε πυρκαγιές ή και σε σοβαρότερα επακόλουθα.

Όπως όλες οι μπαταρίες, έτσι και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται από 3 συστατικά:

  • Θετικό ηλεκτρόδιο – κάθοδος, που αποτελείται από οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου (LiCoO2) ή από φωσφορικό άλας λιθίου σιδήρου
  • Αρνητικό ηλεκτρόδιο -άνοδος αποτελείται γραφίτη
  • Ηλεκτρολύτης ποικίλει από μπαταρία σε μπαταρία. Οι υγροί ηλεκτρολύτες στις μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται από άλατα λιθίου, όπως το LiPF6, LiBF4 ή LiClO4 σε οργανικό διαλύτη, όπως ανθρακικό αιθυλένιο, ανθρακικό διμεθύλιο και ανθρακικό διαιθύλιο. Ένας υγρός ηλεκτρολύτης δρα ως αγώγιμη οδός για την κίνηση κατιόντων που περνούν από τα αρνητικά προς τα θετικά ηλεκτρόδια κατά την εκφόρτιση.
Εικόνα 4. Αντιδράσεις φόρτισης-εκφόρτισης σε συσσωρευτές Λιθίου (Πηγή: Herman Lemmens, 2019)

Οι μπαταρίες αυτές χρησιμοποιούνται από όλες τις συμβεβλημένες με το ΣΕΔ Re-Battery ΑΕ αυτοκινητοβιομηχανίες.