EN
Rychlé odkazy
Způsob, jakým lithium-iontové baterie fungují, závisí do značné míry na tom, jak teplota ovlivňuje jejich vnitřní chemické reakce. Když teplota stoupne o pouhých 10 stupňů Celsia nad pokojovou teplotu (což je přibližně 77°F), ionty uvnitř se pohybují o 40 až 50 procent rychleji. To zlepšuje elektrickou vodivost baterie, ale může také způsobit postupné poškozování jednotlivých částí. Situace se výrazně zhoršuje, když teplota překročí 70°C (přibližně 158°F). V tomto okamžiku začíná rozpadat se vrstva označovaná jako SEI (solid electrolyte interphase). Tato ochranná vrstva je velmi důležitá pro ochranu elektrod, a jakmile se poruší, baterie trvale ztrácí kapacitu. Na druhou stranu i chladné počasí způsobuje problémy. Pod 5°C (přibližně 41°F) se kapalina uvnitř baterie výrazně zhoustne, což iontům znemožňuje snadný pohyb. To znamená menší dostupný výkon, konkrétně snížení o přibližně 15 až 30 procent oproti tomu, co baterie skutečně dokáže dodat.
Když teploty klesnou pod bod mrazu, čelí baterie vážným výzvám. Elektrolyt uvnitř se při teplotě kolem -20 stupňů Celsia (-4 Fahrenheit) výrazně zhoustne, čímž se jeho viskozita zvýší o 300 až 500 procent. Současně schopnost baterie přijímat náboj prudce klesne přibližně o 60 %. Tyto problémy dohromady způsobují, že vnitřní odpor vzroste o 200 až 400 procent ve srovnání s běžnými pokojovými teplotami. V důsledku toho musí systémy s napětím 48 voltů vyvíjet větší úsilí, aby správně fungovaly. Pohled na skutečné výkonnostní údaje elektrických automobilů provozovaných za arktických podmínek odhaluje ještě znepokojivější skutečnost. Řidiči uvádějí ztrátu téměř čtvrtiny své obvyklé dojezdové vzdálenosti kvůli těmto kombinovaným problémům, jak uvádí výzkum publikovaný Elektrochemickou společností v roce 2023.
Když baterie příliš dlouho setrvávají v horkém prostředí kolem 45 stupňů Celsia (což je přibližně 113 stupňů Fahrenheita), začnou se rozkládat rychleji než obvykle. Jejich životnost se zkrátí přibližně na dva a půl násobně ve srovnání s ideálními podmínkami. Nedávné testy z roku 2023 týkající se tepelného stárnutí ukázaly něco velmi poučného: baterie provozované při této vysoké teplotě ztratily přibližně 15 % své kapacity již po 150 nabíjecích cyklech, zatímco ty udržované při pokojové teplotě (přibližně 25 °C) klesly pouze o 6 %. A existuje ještě jeden problém, který probíhá pod povrchem. Jakmile teplota překročí 40 stupňů Celsia, vrstva SEI uvnitř těchto baterií roste třikrát rychleji než obvykle. To znamená, že více iontů lithia navždy uvázne, čímž se postupem času pomalu snižuje množství využitelného materiálu uvnitř článků baterie.
Když se baterie nabíjejí při teplotách pod bodem mrazu, dochází k poruše chování lithiových iontů uvnitř. Místo aby se pohybovali na svá správná místa v materiálu anody, začnou se tvořit kovové usazeniny na povrchu. Co se stane dál? Tyto usazeniny způsobují problémy. Ve skutečnosti zvyšují riziko zkratů přibližně o 80 %, což je docela vážné. Kromě toho způsobují rychlejší pokles celkové kapacity baterie v průběhu času. Naštěstí dnes existují diagnostické nástroje, které tyto rané známky tvorby kovových usazenin odhalí, než se situace zhorší. Společnosti řešící tento problém byly nuceny zavést velmi přísná pravidla pro rychlost nabíjení baterií, když je venku zima. Většina z nich stanovuje maximální rychlost nabíjení ne vyšší než 0,2C, kdykoli klesne okolní teplota pod pět stupňů Celsia.
Tepelné chování lithiových baterií 48 V se značně liší v závislosti na místě použití. Například u elektrických automobilů většina modelů dnes spoléhá na nepřímé kapalinové chlazení, které udržuje baterie pod 40 stupni Celsia během jízdy po dálnici. To pomáhá zachovat přibližně 98 procent původní kapacity baterie i po 1000 úplných nabíjecích cyklech. Situace se však komplikuje u instalací skladování energie z obnovitelných zdrojů umístěných v pouštních oblastech. Tyto systémy čelí dlouhým obdobím, kdy okolní teplota stoupá nad 45 stupňů Celsia. Výsledkem je, že kapacita baterie klesá přibližně o 12 % rychleji ve srovnání s podobnými jednotkami umístěnými v chladnějších oblastech. Pro řešení těchto problémů vyvinuli výrobci pokročilé systémy řízení baterií, tzv. BMS. Tyto chytré systémy automaticky upravují rychlost nabíjení a aktivují chladicí mechanismy, jakmile jednotlivé články začnou být příliš horké, obvykle kolem 35 stupňů Celsia. Odborníci tento systém považují za klíčovou technologii pro prodloužení životnosti baterií v náročných prostředích.
Podle studie z roku 2023, která se zaměřila na skladové roboty, baterie o napětí 48 voltů, které každodenně vystaveny teplotním změnám od mínus 10 stupňů Celsia až po 50 stupňů Celsia, ztratily během pouhých 18 měsíců přibližně 25 procent svého výkonu. To znamená třikrát rychlejší degradaci ve srovnání s bateriemi uchovávanými ve stabilizovaném prostředí. Když výzkumníci tyto porouchané baterie rozebrali, aby je podrobněji prozkoumali, objevili problémy jako tvorba lithiového povlaku (lithium plating) při spouštění za chladných podmínek a také smršťování separátorů při příliš vysokých teplotách. Na druhou stranu průmyslové baterie vybavené systémy termálního řízení vykazovaly mnohem lepší výsledky. Tyto baterie byly vybaveny speciálními materiály s fázovou změnou, které pomohly udržet elektrický odpor velmi stabilní – v rozmezí plus minus 3 procent – po celkem 2000 nabíjecích cyklech. To jasně ukazuje, jak důležité je zajistit vhodnou kontrolu teploty u baterií pracujících v náročných provozních podmínkách.
Provoz nad 40 °C urychluje degradaci, čímž se snižuje počet cyklů až o 40 % ve srovnání s 25 °C (Nature 2023). Zvýšené teploty destabilizují SEI vrstvu a podporují tepelný rozklad, což vede ke stálé ztrátě kapacity. Při 45 °C mohou baterie ztratit 15–20 % své počáteční kapacity během 300 cyklů kvůli rozpadu katody a oxidaci elektrolytu.
Vysoké teploty spouštějí tři hlavní cesty poruch:
Tyto exotermické reakce mohou vyvolat samočinně se šířící kaskádu. Výzkumy ukazují, že každé zvýšení o 10 °C nad 30 °C zdvojnásobí rychlost vylučování lithia na anodě – klíčový předpoklad tepelného úniku.
Lithium-iontové články se dostávají do vážných potíží, když teplota uvnitř dosáhne přibližně 150 stupňů Celsia. V tu chvíli dochází k tzv. tepelnému úniku, což je v podstatě řetězová reakce, při které se generované teplo hromadí rychleji, než může uniknout. Jaké jsou důsledky? Podle různých průmyslových studií mohou články uvolňovat plyn, vzplanout nebo dokonce explodovat během několika sekund. Moderní systémy řízení baterií rozhodně pomohly snížit výskyt těchto problémů. Výrobci uvádějí pokles téměř o 97 procent u takových incidentů od roku 2018, jak uváděly Energy Storage News minulý rok. Přesto jsou 48voltové systémy obzvláště náchylné k některým velmi nebezpečným scénářům poruch, včetně:
| Rizikový faktor | Prahová hodnota nárazu | Následek |
|---|---|---|
| Tavení separátoru | 130°C | Vnitřní zkrat |
| Zápalem elektrolytu | 200 °C | Šíření plamene |
| Rozklad katody | 250°C | Uvolňování toxických plynů |
Aktivní chlazení a nepřetržité sledování teploty jsou nezbytné pro prevenci katastrofálních následků v situacích s vysokým tepelným zatížením.
Lithium-iontové baterie mají v mrazivém počasí skutečně potíže, protože ionty uvnitř setkávají s vyšším odporem při klesajících teplotách. Když hovoříme například o minus 20 stupních Celsia (což je přibližně minus 4 stupně Fahrenheita), kapacita baterie prudce klesne na zhruba 60 % její normální hodnoty při pokojové teplotě. Napětí také poklesne přibližně o 30 %. To má velký význam pro zařízení jako elektrické automobily nebo solární systémy pro ukládání energie umístěné mimo rozvodnou síť. Tato zařízení potřebují stabilní dodávku energie i tehdy, když příroda přináší nejhorší zimní počasí, ale zimní podmínky toto splnění výrazně ztěžují.
Když se baterie nabíjejí pod bodem mrazu (to je 32 °F pro ty, kteří stále používají stupně Fahrenheita), vyskytují se v podstatě dva velké problémy. Zaprvé dochází k tzv. litiovému plátování, při kterém se kovový lithium hromadí na záporné elektrodě baterie. To není jen otrava – studie z Battery University ukazují, že při každé takové události baterie natrvalo ztratí kolem 15 až 20 % své celkové kapacity. Druhý problém souvisí s elektrolytem. Při teplotách až minus 30 stupňů Celsia je tekutina uvnitř baterie asi osmkrát hustší než obvykle. Představte si, že se snažíte nalít med skrz brčko, když by měl volně protékat. Ztluštělý elektrolyt ztěžuje pohyb iontů, takže baterie není možné správně nabit. Většina průmyslových bateriových systémů je vybavena vestavěnými topnými články nebo jinými prostředky regulace teploty, aby se tomuto problému zabránilo. Běžné nabíječky pro spotřebitele ale obvykle žádná taková bezpečnostní opatření nemají, což vysvětluje, proč tolik lidí nevědomky poškozuje své baterie.
Provozní zkoušky ukazují, že tepelně regulované skříně v arktických energetických zařízeních prodlužují životnost cyklu o 23 % ve srovnání se systémy bez řízení.
Optimální provozní rozsah pro 48V lithiové baterie je 20 °C až 30 °C (68 °F až 86 °F), jak potvrdily průmyslové studie z roku 2025 v oblasti elektrické letecké dopravy. Pod 15 °C klesá využitelná kapacita o 20–30 %; trvalý provoz nad 40 °C čtyřnásobně urychluje rozklad elektrolytu ve srovnání s pokojovou teplotou.
Moderní systémy BMS integrují distribuované senzory teploty a adaptivní algoritmy pro udržování tepelné rovnováhy. Studie z roku 2021 o vícevrstvé konstrukci ukázala, že pokročilé systémy BMS snižují tepelné gradienty uvnitř baterie o 58 % díky dynamickému rozložení zátěže a úpravě rychlosti nabíjení.
Moderní inženýři používají materiály pro změnu fáze, které při náhlém nárazu tepla absorbují 140 až 160 kilojouli na kilogram, v kombinaci s keramickými izolačními vrstvami, které téměř vůbec neprovádějí teplo (pouze 0,03 wattu na metr Kelvina). Tekutý chlazení ploch udržuje věci chladné také, aby se ujistil povrchové teploty neskočí více než 5 stupňů Celsia i během těch intenzivních 2C rychlé nabíjení sezení, které prošlo shromáždění v loňském roce tepelné stability testů. Všechny tyto různé komponenty pracující společně znamenají, že baterie vykazují konzistentní výkon bez ohledu na to, jaké počasí nebo provozní podmínky jsou tam v terénu.