Wpływ wysokich i niskich temperatur na zachowanie baterii w samochodach elektrycznych

Wpływ wysokich i niskich temperatur na zachowanie baterii litowo-jonowych w samochodach elektrycznych.

Bateria litowo-jonowa to serce samochodu elektrycznego, a jej sprawność w dużym stopniu zależy od warunków temperaturowych. Zarówno ekstremalne zimno, jak i wysoka temperatura, prowadzą do zjawisk elektrochemicznych, które wpływają na wydajność, żywotność i bezpieczeństwo akumulatora. Poniżej przedstawiam Wam mechanizmy fizykochemiczne oraz praktyczne konsekwencje obserwowane w użytkowaniu EV.

Temperatury? Lepiej unikać tych ekstremalnych!

Niska temperatura – opóźniona kinetyka reakcji elektrochemicznych

W temperaturach poniżej 0 °C zachodzą następujące procesy:
1. Spadek przewodnictwa elektrolitu. Ciekłe elektrolity w bateriach litowo-jonowych stają się bardziej lepkie i gęste w niskiej temperaturze, co ogranicza transport jonów litu pomiędzy anodą i katodą.
2. Wzrost oporu wewnętrznego – ograniczona mobilność jonów skutkuje większym spadkiem napięcia pod obciążeniem, a tym samym mniejszą dostępną mocą. Bateria, kiedy jest zimno nie da nam tego co byśmy chcieli. Czyli maksymalnej mocy.
3. Ryzyko platingu litu. Przy szybkim ładowaniu na zimno, jony litu nie zdążają wbudować się w strukturę grafitowej anody i osadzają się w formie metalicznego litu na jej powierzchni. To zjawisko jest nieodwracalne i prowadzi do degradacji oraz potencjalnych zwarć wewnętrznych.
4. Spadek pojemności chwilowej. W temperaturach rzędu -10 °C, lub niżej, pojemność dostępna dla użytkownika może spaść nawet o 30–40% względem nominalnej (potwierdzają to dane z badań NREL i SAE).

Praktyczna konsekwencja: w zimie zasięg EV spada nie tylko przez ogrzewanie kabiny, ale również ze względu na ograniczoną zdolność baterii do oddawania energii. Dlatego producenci stosują systemy podgrzewania akumulatorów (grzałki PTC, pompy ciepła, zarządzanie termiczne cieczą). A nad wszystkim czuwa system BMS, który zarządza termiką baterii.

Wysoka temperatura – przyspieszona degradacja i zjawiska uboczne, jakie?

Powyżej 35–40 °C dominującym problemem staje się degradacja chemiczna:
– Przyspieszone reakcje uboczne. Wysoka temperatura zwiększa tempo rozkładu elektrolitu i powstawania gazów (CO₂, H₂), co powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz ogniwa.
– Rozrost warstwy SEI (Solid Electrolyte Interphase). Cienka warstwa ochronna na anodzie, niezbędna do stabilności pracy baterii, w wysokiej temperaturze nadmiernie się pogrubia. Powoduje to utratę aktywnego litu i spadek pojemności.
– Degradacja katody. W szczególności materiały NMC i NCA tracą stabilność w wysokiej temperaturze. Co prowadzi do nieodwracalnych reakcji i uwalniania tlenu (podnoszącego ryzyko termicznej ucieczki).
– Przyspieszona degradacja kalendarzowa. Nawet gdy bateria nie pracuje, wysoka temperatura (np. auto pozostawione w pełnym słońcu w 45 °C) znacząco przyspiesza proces starzenia.

Praktyczna konsekwencja: użytkowanie EV w gorącym klimacie bez aktywnego chłodzenia cieczą prowadzi do szybszej utraty pojemności. Badania wykazują, że bateria przechowywana w 40 °C „starzeje” się nawet 2–3 razy szybciej niż ta sama bateria w 25 °C. Dlatego lepiej kupić auto EV użytkowane w umiarkowanym klimacie, niż to na przykład z gorącej Kalifornii.

Optymalny zakres pracy

Większość baterii litowo-jonowych w EV działa najefektywniej w zakresie 20–35 °C. W tym przedziale:
1. transport jonów jest wydajny,
2. ryzyko platingu jest minimalne,
3. tempo degradacji chemicznej jest kontrolowane.

Dlatego systemy BMS i układy chłodzenia cieczą (stosowane np. przez Teslę, BMW czy Mercedes) aktywnie utrzymują pakiet w tym zakresie. Nawet kosztem chwilowej utraty zasięgu na klimatyzację czy pompę ciepła.

Technologie łagodzące wpływ temperatur

1. Systemy zarządzania termicznego (TMS), czyli chłodzenie cieczą, aktywne grzanie, pompy ciepła.
2. Nowe elektrolity i dodatki. Badania nad elektrolitami o niskiej lepkości i stabilności w wysokiej temperaturze (m.in. elektrolity półstałe, stałe i litowo-polimerowe).
3. Zaawansowane algorytmy BMS, ograniczające prąd ładowania przy niskiej temperaturze, a także adaptujące strategie ładowania w zależności od historii pracy ogniwa.
4. Architektury akumulatorów nowej generacji. Na przykład ogniwa LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe) są bardziej odporne na wysokie temperatury, ale gorzej radzą sobie w mrozie niż NMC/NCA.

Podsumujmy to co wiemy…

Temperatura to kluczowy czynnik wpływający na wydajność i trwałość akumulatorów litowo-jonowych w samochodach elektrycznych.
Zimno ogranicza mobilność jonów, zwiększa opór wewnętrzny i grozi platingiem przy ładowaniu.
Upał przyspiesza degradację chemiczną, rozrost warstwy SEI i zwiększa ryzyko niestabilności termicznej.
Optimum to zakres umiarkowany, dlatego producenci stosują rozbudowane systemy termiczne i algorytmy BMS.

Wniosek jest jeden: wydajność i żywotność baterii w EV nie zależą tylko od chemii ogniw, ale przede wszystkim od tego, jak skutecznie zarządza się ich temperaturą. To czynnik najważniejszy i kluczowy. Bez dobrego BMS zarządzającego termiką baterii, nasze tesle nie dałyby rady robić przebiegów przekraczających pół miliona kilometrów. A właśnie takie przebiegi te samochody są w stanie osiągnąć.