Červen 2009 RF048 Lithio-iontové baterie výzvy a milníky ve vývoji pro použití automobilovém průmyslu Dr. Joachim Fetzer Výkonný Vice prezident SB LiMotive Přednáška k 59. mezinárodnímu kolokviu pro motoristický tisk Boxberg, červen 2009 Robert Bosch GmbH Postfach 10 60 50 70049 Stuttgart Corporate Communications E-Mail michael.mack3@bosch.com Telefon: +49 711 811-6282 Telefax: +49 711 811-7656 Leitung: Prof. Uta-Micaela Dürig Presse Forum:
Vážené dámy, vážení pánové, Byť spalovací motor bude i v následujících 20 letech disponovat nespornými výhodami, elektromobilu patří z dlouhodobého hlediska budoucnost. Do té doby, než se elektromobily stanou součástí každodenního provozu na našich silnicích, budou existovat překlenovací technologie, které vydláždí cestu k jízdě na čistě elektrický pohon slabé (mild), silné (strong) a zásuvkové (plug-in) hybridy nebo elektromobily s vybavením range extender s malým spalovacím motorem, který v případě potřeby může nabíjet baterii. Obě auta, jak hybridní, tak i elektromobil, potřebují výkonný akumulátor pro elektrickou energii. Tato energie vzniká buď rekuperací při brzdění, pochází z generátoru poháněného range extenderem, nebo se prostě natankuje ze zásuvky. Téměř všichni výrobci automobilů a jejich dodavatelé se shodují v jednom: Pro akumulaci energie je nejvhodnější baterie s lithio-iontovou technologií. Tak je tomu i u společností Bosch a Samsung SDI, které za tím účelem zřídily společný podnik SB LiMotive s cílem dalšího rozvoje technologie lithio-iontových baterií pro použití v automobilech. Proč lithio-iontová technologie? Proč lithio-iontové baterie? V současné době se v hybridních vozidlech používají ještě nikl-metalhydridové baterie. Jejich vývojový potenciál je však považován z větší části za vyčerpaný. Lithio-iontová technologie má ze střednědobého a dlouhodobého hlediska mnohem lepší perspektivy. Tento poznatek se opírá o řadu předností, které tato technologie vykazuje. Lithio-iontový článek má podstatně lepší hustotu výkonu a na základě vyššího jmenovitého napětí i vyšší hustotu energie, než nikl-metalhydridové články. Dalšími přednostmi jsou jeho vysoká cyklická odolnost, a dlouhá životnost a Podstatně nižší samovolné vybíjení. To znamená, že pokud svůj elektromobil v budoucnu necháte během dovolené stát, baterie se téměř nevybije. 2 z 7
Kromě toho se tato technologie osvědčila již ve spotřebitelské elektronice: lithio-iontové baterie dodávají elektrickou energii mobilním telefonům, notebookům i u různým druhům ručního nářadí s elektrickým pohonem značky Bosch. Na základě těchto aspektů připadá lithio-iontovým technologiím role favorita v klíčových technologiích pro elektrifikaci pohonu. Požadavky na lithio-iontové technologie pro aplikaci v automobilech jsou ovšem podstatně vyšší než v oblasti spotřebitelské elektroniky. Tomu odpovídá i náročnost úkolů, které si musejí naši inženýři při dalším rozvoji této technologie vytyčit. Příklad: pro přemístění elektromobilu o hmotnosti 1 000 kilogramů na vzdálenost 200 kilometrů potřebujeme baterii s cca 35 kilowatthodinami. Taková baterie by dnes stála přibližně 500 EUR za 1 kilowatthodinu při 35 kilowatthodinách tedy kolem 17 000 EUR. Náklady na baterii jsou tudíž v současné době ještě příliš vysoké na to, aby bylo možno vozidla s elektrickým pohonem nabízet za atraktivní ceny. Má-li kromě toho činit dojezd přes 200 km, jak dle aktuálních průzkumů řidiči u elektromobilu minimálně vyžadují, byla by výkonnost baterie ještě příliš nízká. A dnešní baterie by kromě toho ani nevydržely po celou dobu životnosti automobilu. Aby byly lithio-iontové baterie vhodné pro využití v automobilech, stanovili jsme si v SB LiMotive pro vývojové práce následující cíle: výrazné zvýšení hustoty výkonu a energie lithio-iontových baterií, výrazné snížení nákladů na baterie, další zvýšení cyklické odolnosti a životnosti, přizpůsobení baterií bezpečnostním standardům v automobilovém průmyslu. Pro dosažení těchto cílů se v dalším vývoji našich baterií orientujeme na tři úrovně: 3 z 7
na chemické součásti jednotlivých bateriových článků a jejich konstrukci, na integraci článků do bateriového modulu, na systém řízení baterií, který slouží ke kontrole a regulaci jednotlivých článků. Vyšší kapacita výkonu a energie Hybridní vozidla a elektromobily kladou na hustotu energie a výkonu rozdílné požadavky. Pro zvládnutí větších vzdáleností je do baterie nutno uložit více energie. U elektromobilů má proto přednost větší hustota energie. U hybridních vozidel stojí v popředí výkon: v krátkém časovém rozpětí je nutno hodně energie uložit a opět vydat. V současné době to dělá u bateriového článku pro hybridní aplikaci kolem 3000 wattů na kilogram specifického výkonu a cca 85 watthodin na kilogram specifické energie, u energetického článku pro elektromobily kolem 100 watthodin na kilogram. Při zvyšování hustoty energie a výkonu optimalizujeme v první řadě materiály používané v chemickém složení článků. Touto cestou chceme do roku 2012 dosáhnout hustoty výkonu přes 4 000 wattů na kilogram u hybridních aplikací a hustoty energie větší než 150 watthodin na kilogram u elektromobilů. Důležité parametry lithio-iontových baterií se během tří let zvýší o 30 až 40 procent. Požadavky hybridních vozidel a elektromobilů se liší i u nabíjecích cyklů. U hybridního pohonu je rozhodující hustota výkonu, to znamená, že během krátké doby je možno naakumulovat a odebrat velké množství energie. Je tomu tak zejména při zpětném získávání energie tedy při brzdění a při zrychlení. Baterie se však přitom šetří vybíjí se vždy jen minimálně a ve skutečnosti se typicky využije méně než dvacet procent její kapacity. Z důvodu vysokého počtu nabití a vybití musíme baterii dimenzovat na více než jeden milion nabíjecích cyklů. U elektromobilu stačí jen 2500 až 3000 nabíjecích 4 z 7
cyklů. Pro dosažení přijatelných dojezdů se zde však nabíjí například na 80 procent, což baterii zatíží výrazně víc, a ta potom rychleji stárne. Oba typy baterií by měly v budoucnu vydržet po celou dobu životnosti vozidla. To znamená životnost více než dvanáct let nebo proběh 250 000 kilometrů. Lithio-iontová baterie má výhodnou teplotu zjednodušeně řečeno teplotu lidského těla. Nejlépe se cítí při teplotě mezi plus15 C až plus 45 C. V automobilu se však může teplota okolí pohybovat od minus 30 C do plus 60 C. Při nízkých teplotách výkonnost baterie slábne. S rostoucí teplotou naproti tomu klesá její životnost. To vyžaduje promyšlený teplotní management. Dá se jím jak zpomalit proces stárnutí, tak i zvýšit životnost a cyklická odolnost bateriového článku. Teplotní management však potřebuje energii i pro sebe zvláště pro chlazení. Aby se tato potřeba energie snížila, je možno například zvýšit maximální teplotu, při které se články smějí provozovat. Jedním z našich vývojových cílů je rozšíření pracovního teplotního rozsahu článku vhodnou volbou materiálů a optimalizací konstrukce. Bezpečnost Abychom vyhověli vysokým požadavkům automobilového průmyslu, věnujeme se intenzivně i tématu bezpečnosti. U chemického složení bateriových článků sázíme mimo jiné na elektrolyty odolné vůči vysokým teplotám a na nehořlavé materiály. U kompletních baterií se soustředíme na kontrolu článků: systém managementu baterií průběžně registruje a reguluje sílu proudu a napětí i teplotu a stav dobití baterií. Tímto způsobem je baterie chráněna před příliš velkým vybitím nebo přehřátím. Promyšlený tepelný management zajistí, že baterie pracuje stále v optimálním, a tím i bezpečném teplotním rozsahu a je tak zaručeno bezpečné fungování za jakéhokoliv provozního stavu. Nárazuvzdorný obal modulů zabezpečí, že bateriové články přežijí bez poškození i dopravní nehodu. V této 5 z 7
souvislosti hraje významnou roli i bezpečnost místa, kde je baterie v autě zabudována. A v neposlední řadě klademe vysoké požadavky na své výrobní procesy, abychom dostáli kvalitativním požadavkům i co do bezpečnosti. Nízké náklady na baterie Posledním aspektem zůstává cena. Hraje klíčovou roli, jedná-li se o to, jak elektromobil zatraktivnit pro konečného zákazníka. Při svých jednáních s výrobci automobilů dnes hovoříme téměř výhradně o výrobě baterií pro malosériové hybridní vozy a elektromobily. Pro použití v elektromobilech je nutno mít velkou baterii s velkým obsahem energie, to znamená s velkým počtem článků, abychom docílili odpovídajícího dosahu. Zřetelným zvýšením specifického výkonu a specifické energie materiálů každého článku můžeme například v budoucnu snížit počet článků. Baterie tím bude lehčí a především levnější. Snížení nákladů dosáhneme rovněž vysokou produkcí. Vyšším objemem nákupu surovin a rostoucí standardizací komponentů bude baterie i cenově výhodnější. Kromě toho získáme zkušenosti, díky nimž bude možno procesní náklady ve výrobě bateriových článků během příštích let krok za krokem snižovat. Patří k tomu výhodnější výroba chemických surovin stejně tak jako integrace článků do bateriových modulů ve velkosériové výrobě. Obecně počítáme s tím, že u baterie dokážeme dosáhnout do roku 2015 nákladů ve výši cca 350 EUR za kilowatthodinu přibližně dvou třetin dnešních nákladů. Tím by náklady na baterie pro náš úvodem zmíněný elektromobil činily zhruba 12 000 EUR. Dámy a pánové, je zjevné, kolik vývojové práce máme ještě před sebou, než bude lithio-iontová baterie pro automobily schopná velkosériové výroby. 6 z 7
Výsledky, kterých jsme v naší společnosti SB LiMotive mezitím dosáhli, nám dávají důvod k optimistickému tvrzení, že uvedené technické požadavky zvládneme. Proto plánujeme v SB LiMotive start sériové výroby bateriových článků pro hybridní vozidla na rok 2011 a sériovou výrobu článků pro elektromobily na rok 2012. Start výroby příslušných bateriových systémů bude následovat vždy krátce poté. Děkuji Vám za pozornost. 7 z 7