Anoda, katoda i nešto između (II deo)

Prethodnog vikenda smo započeli s pričom o budućnosti automobilske industrije, odnosno s tekstom o baterijama. Predlažemo vam da obavezno pročitate uvodnik, a onda da zajedno vidimo i šta taj Tesla Motors tamo negde daleko radi i kako funkcionišu te njihove baterije. Pričali smo o elektrohemijskom potencijalu. Rekli smo da je to tendencija materijala i drugih materijala da se oslobodi elektrona. Struktura svakog atoma je takva da ima jezgro i omotač. Unutar jezgra je pozitivno naelektrisan proton i neutralno naelektrisan neutron. U omotaču je elektron.  Litijum u svom omotaču ima jedan slobodan elektron i on stalno teži da ga se oslobodi (usled pomenutog elektrohemijskog potencijala).

Napomenimo i da je litijum izuzetno reaktivan materijal i u čistom stanju reaguje čak i sa vodom. Usled te činjenice i takve reaktivnosti mi težimo da ga nekako stabilizujemo te ga  ubacujemo u razne metalne okside. Ukoliko na neki način iz tog metalnog oksida, to jest njegove atomske rešetke neki atom litijuma uspe da napusti svoje mesto unutar rešetke i otpusti svoj elektron iz omotača, tada sam atom postaje pozitivno naelektrisan. Od tada, to postaje litijumov jon. S obzirom na činjenicu da je sam atom daleko stabilniji kada se nalazi u sklopu nekog metalnog oksida i njegove rešetke, on će stalno težiti tom stanju.

Ukoliko na neki način uspemo da konstantno proizvodimo tu pojavu koja podrazumeva da atom litijuma napušta rešetku metalnog oksida, i da otpusti svoj elektron i postane pozitivno naelektrisan (konkretno, kada se svi atomi u jednoj rešetki ovako „rasture“ tada nam je puna baterija), pa da se nakon toga opet vrati na svoje mesto unutar rešetke zajedno sa svojim elektronom, na taj način smo zahvaljujući pomenutom kretanju elektrona pomoću nekog spoljnog strujnog kruga, dobili električnu struju (baterija se prazni) i imamo funkcionalnu i veoma efikasnu bateriju.

Znam da zbunjuje ali budite tu, pokušaćemo da objasnimo još bolje!

Kao u primeru iz uvodnog članka u serijal o baterijama i kao u prošlom primeru, ponovo imamo dve ploče i elektrolit između. U “Teslinom” slučaju rešetka, to jest metalni oksid se nalazi na aluminijumskoj ploči, između ploča ponovo imamo elektrolit sa separatorom a druga ploča je izrađena od bakra sa slojem grafita koji ima višeslojnu strukturu.

Bakarna ploča će biti minus (anoda) naše baterije a aluminijumska plus (katoda). Grafit ovde nikako nije u službi nekog provodnika, a ta njegova slojevita struktura je opet urađena tako da podseća na “saće”. Izvođenje je takvo da među tim slojevima ima dovoljno mesta da, kad joni litijuma prođu kroz elektrolit i separator, ostanu pravilno raspoređeni između saćastih rešetki koje će sadržati elektrone.

Elektrolit se izrađuje od organskih litijumovih soli. Separator se ponaša kao “filter” koji propušta samo litijumove jone na drugu stranu. Ako ikada usled nekog razloga dođe do nestanka elektrolita, došlo bi do direktnog kratkog spoja između anode i katode, a još jedna od uloga separatora je da spreči ovaj direktan kratki spoj.

Sami elektroni su izuzetno “agresivni” prema elektrolitu. Na svu sreću, prilikom prvog punjenja dolazi do reakcije između organskog rastvora u elektrolitu koji oblaže jone i kada oni dođu do grafita stvoriće se jedan sloj nazvan “Solid Electrolyte Interface” (SEI) koji će bukvalno poslužiti kao zaštitna barijera za elektrolit u bateriji. Ovaj sloj će ostati konstantno prisutan na elektrolitu i tu se potroši negde oko 5% jona litijuma.

Sloj SEI je veoma bitan za pravilan rad baterije. Problem nastaje kada ovaj sloj naraste van željenog, odnosno kada iz nekog razloga počne da „hvata“ dodatne jone. Ovaj nekontrolisani rast stvara pukotine u sloju i otvara nezaštićeni prostor gde elektroni mogu da naprave oštećenje na samom elektrolitu. Ovo je mnogo ozbiljnija priča nego što nama treba, čak se i NASA bavi ovim pitanjem, a da ne bismo i dalje zbunili neke od nas kojima je i ovo već previše, staćemo ovde.

Kako funkcioniše sistem?

Krećemo od situacije kada je baterija potpuno prazna i svi atomi litijuma su na svojim mestima unutar rešetke na katodi. Kada priključimo napon, to jest krene punjenje desiće se to da će usled delovanja tog napona svi atomi litijuma, na prethodno opisan način početi da otpuštaju svoje elektrone i kroz elektrolit prelaze na stranu sa grafitom (anoda).

Elektroni će biti privučeni na pozitivno naelektrisanu stranu električnog izvora i kroz sam izvor električne energije, njegove negativne strane doći do “saća” na grafitu. Kada su svi joni litijuma “prešli” a svi elektroni preko izvora eleketroni energije zauzeli svoja mesta na pomenutoj grafitnoj “saćastoj” strukturi naša baterija je puna.

Ako se sećate početka, litijum je mnogo “lud” element. A kad je samostalan, ta njegova ludost je najveća. Zato, da ne bi pravio probleme on teži da se vrati tamo gde je stabilan, na svoje mesto unutar rešetke metalnog oksida. Tako, kada priključimo neki potrošač, elektroni će sada preko njega pronaći svoj put ka ploči gde je metalni oksid (a sećamo se definicije od prošlog puta da je usmereno kretanje elektrona kroz provodnik električna struja) a joni litijuma će se vratiti kroz separator na svoje mesto. Kada se svi vrate, naša baterija je prazna.

Rezimiramo: punjene – joni idu sa katode na anodu. Pražnjenje – sa anode na katodu. I tako ponovo, i ponovo, i ponovo…

Uzmemo sve ove elemente, ubacimo ih u mali metalni omotač cilindričnog oblika i imamo jednu bateriju kao što je ona koju potpisuje “Tesla Motors”! Napon jedne baterije se kreće od nominalnih 3,6V do 4,2V. Uzmite nekoliko ovih baterija, pa nekoliko spojite na red da povećate napon, a onda nekoliko takvih vežete paralelno i dobili ste jedan “baterijski modul”.

Valja napomenuti da različiti modeli Tesle imaju različite baterijske module. Konkretno Model S i Model X na primer, imaju više tih “pakovanja”, i do šesnaest za dugometražne verzije (takozvane long range) koji čine celinu i nazivaju se baterijsko pakovanje (battery pack) i menjaju se isključivo tako – kao jedna velika celina. Cena za to je nestvarno visoka. Kako izgleda jedno baterijsko pakovanje možete videti na donjoj slici.

Noviji modeli koje čine Model 3 i Model Y poseduju gabaritno veće module i važnije je da dozvoljavaju zamenu samo “dotrajalog modula” što je daleko prihvatljivije i cena se kreće oko pet do sedam hiljada američkih dolara za jedan od četiri modula (donja ilustracija). Svaki od tih pomenutih modula ima svoj sistem za upravljanje radom (Battery Management System – BMS) koji kontroliše sve od punjenja, pražnjenja, temperature rashladne tečnosti… Da, dobro ste pročitali. Unutar svakog modula nalazi se rashladni sistem koji se hladi glikolom i na taj način održava temperaturu baterija blizu optimalne.

Ali, ne samo hlađenje: zahvaljujući minijaturnoj toplotnoj pumpi sistem se po potrebi i greje. Takođe, taj sistem da se svaka baterija puni svojim tempom i brine da je stepen napunjenosti svake baterije u modulu približno isti. A to isto radi i kod pražnjenja, krajnji cilj je da se sve baterije podjednako prazne.

Ukoliko je teret pražnjenja ravnomerno raspoređen na svaku bateriju njihov “stres” je manji a radni vek će biti duži. Ove stvari i čine razliku između Tesle i ostalih proizvođača. Dok su se oni opredelili za mnoštvo manjih baterija ostali proizvođači su u početku birali nekoliko većih baterija. Sem što su bile znatno komplikovanije za hlađenje, njihovi ciklusi pražnjenja su bili znatno veći i samim tim znatno su skratili životni vek tih baterija.

Baterije o kojima govorimo nose oznaku 1865. Ovo znači da baterija ima 18 milimetara u prečniku i visinu od 65 milimetara. Meni je lično ovo izuzetno drago saznanje, jer je neko u toj američkoj firmi bio dovoljno odlučan da odbaci one inče, njihove 3 osmine i 15 petina…

Teslin partner u razvoju ovih baterija je Panasonic. Iako su partneri, tu nema nikakve ljubavi. Štaviše, u fabrici baterija Tesle imate povučenu liniju dokle je Panasonic a odakle je Tesla. Tajne zanata su tajne zanata.

Mada, s obzirom na činjenicu da je Tesla kupio Maxwell, očekujem kraj te „ljubavi“ a mnogo velikih stvari se kuva u Tesli kao posledica te akvizicije. Izuzetno bitna stvar kod ovoga je da je kod skoro svih baterija anoda ista, i ona je neka vrsta bakarne ploče. Ali, se mnogo više izmena viđa na katodi. Tako recimo, ukoliko govorimo o bateriji za Tesla Model S katoda je napravljena od legure LiNiCoAlO2. Na gornjoj fotografiji možete videti kako izgleda to jedinjenje u praškastom obliku bez litijuma.

Međutim, kada govorimo o baterijama za njihov kućni punjač, koji kad ne puni vaš automobil može da služi kao izvor energije za vaše kućne aparate, govorimo o leguri LiNiMnCOO2.

No, vratimo se na onu leguru za automobilske baterije. Nikl je mnogo skuplji od kobalta. Ali je zato nikl i mnogo bitniji za rad baterije i povećanje njegovog sadržaja, pa će dosta učiniti za kvalitet baterije. Zato uprkos višoj ceni, baterije će u budućnosti imati veći sadržaj nikla.

Tesla je već izvršio neku klasifikaciju svojih proizvoda i te „čistije i bolje“ baterije su planirane za njihove kamione i najbolje automobile. Nazovimo ih „vozilima srednje kategorije“, a ona će ostati na identičnim baterijama kao što su koristila i do sada.

Ogroman napredak se očekuje zamenom grafita sa silicijumom. Silicijum bi doneo značajan napredak jer bi ista anoda od silicijuma u odnosu na onu od grafita mogla da primi 10 puta više jona litijuma. Ipak, ovo se trenutno ne koristi u baterijama zbog činjenice da silicijum prilikom punjenja znatno uvećava svoju masu.

Tesla Motors je ovaj problem rešio tako što su posebnom metodom napravili zaštitni sloj oko anoda na bazi neobrađenog silicijuma i na taj način ih zaštitili od oštećenja koje nastaje uvećanjem prilikom širenja elementa. Očekuje se da ovo da povećanje u autonomiji EV bude na nivou od oko 20%.

Baterije 1865 su u upotrebi od 2008. godine i prvih Teslinih modela. Vremenom su zamenjene sa 2170, koje su te 2017. godine ubačene u upotrebu i na taj način dale povećanje energije u vozilima od 50%. Za devet godina se otišlo 50% napred. Ove godine su najavili „tabless“ bateriju koja će imati oznaku 4680 i trebalo bi da donese pravi proboj po pitanju punjenja i dometa.

Dodajte ne sve činjenicu da će im baterije uskoro biti i strukturni (noseći) element samog vozila i slobodno možemo reći da se daleko otišlo od jedne male baterije koja daje 3,6V zar ne?

Vreme je da zastanemo, ima mnogo toga ovde rečenog za šta je potrebno vreme da se obradi. A i pauza prija. Bar će meni. U svakom slučaju ako mislite da sam nešto propustio ili vas još nešto zanima, recite. Ako ne znam – saznaću nekako pa da pričamo još malo. Koristiće nam svima u nekoj bližoj ili daljoj budućnosti.

Dejan Stanković

(1520)