Baterie HE3DA – výroba, zátěž, zkrat a crash test

Konstrukce a výroba baterií HE3DA

Specifické vlastnosti baterie HE3DA plynou z její konstrukce, která využívá silné elektrody. Zároveň je jednodušší na výrobu, než ostatní technologie lithiových akumulátorů.

Standardní lithiové články (nejčastěji typu 18650 nebo 21700) obsahují elektrody tenké několik mikrometrů (o konstrukci klasických lithiových baterií jsme psali blíže zde). Takto tenké elektrody se snadno nabíjí a jsou schopny i dobře energii uvolnit. Zároveň jsou takové baterie citlivější na mechanické zacházení. Tenké elektrody a separátory se snadněji naruší a při následném zkratu dochází k přehřátí až vznícení baterie.

Oproti tomu HE3DA používá elektrody silné i několik milimetrů (proto „3D“ v názvu značky). Nejedná se o tenké fólie stočené do ruličky, jako u klasických cylindrických článků, ale o hliníkové a měděné rámy, do nichž je vlisován aktivní materiál ve formě prášku. Ač se jedná o stejné prvky, jako používají obvyklé Li-ion baterie, např. grafit a směsný oxid lithium, nikl, mangan a kobalt (NMC), v případě technologie HE3DA se jedná o nanomateriál se specifickou strukturou. Parametry této struktury jsou vynálezem Jana Procházky a tvoří hlavní know how firmy. HE3DA se tedy od klasických lithiových článků neliší materiálem, ale konstrukcí.

Na automatické lince jsou elektrody vylisovány, skládány na sebe a prokládány separátorem. Separátor, který je rovněž vyráběn na místě, je řádově silnější, než u klasických lithiových článků a s příměsí keramických vláken, aby lépe vzdoroval vysokým teplotám. Po složení všech vrstev je celý „sendvič“ slisován, sešroubován dohromady, zalit elektrolytem (ten je opět standardní lithium fluoro fosfátový roztok) a putuje na formátování. Během formátování je baterie několikrát řízeně nabita a vybita, aby se aktivovala. Naformátovaná baterie se vloží do obalu, opět zalije elektrolytem a je připravena k použití. S výjimkou obalu baterie neobsahuje žádná lepidla, pojiva, ani plasty.

Z důvodu zachování výrobního tajemství si firma HE3DA nepřála zaznamenat a zveřejnit video s kompletním výrobním postupem. Video tedy zachycuje jen část procesů na výrobní lince, ač jsme během naší návštěvy mohli vidět většinu výše uvedených procesů na vlastní oči.

Vyrobená baterie měla tyto parametry:

• Kapacita: 400Wh
• Napětí: 4,1 V
• Max. rychlost nabíjení: 2 hodiny
• Max rychlost vybíjení: 1 hodina

Z hlediska konstrukce je tedy baterie složena z hliníkových a měděných rámů sešroubovaných dohromady. Tato konstrukce poskytuje baterii vysokou mechanickou odolnost a zároveň dobře odvádí teplo, takže se baterie nepřehřívá ani při extrémních podmínkách (viz video z testu níže).

Vlastnosti baterie jsou dány několika parametry – velikostí a tloušťkou rámů, konfigurací aktivního materiálu a počtem vrstev v jedné baterii. Aktivní materiály se mohou použít různé, vedle NMC připadá v úvahu i například lithium-železo-fosfát. Výhodou je, že pokud se výrobce rozhodne vyrábět na stejné lince větší baterii, jen změní velikost rámu, lisovací formu a dávky materiálu. Doba výroby se s velikostí rámu a tloušťkou elektrod proporciálně snižuje.

Testování baterie HE3DA

Baterie, kterou jsme natáčeli při výrobě, musela být následně pomalými cykly několik dní formátována. Z časových důvodů byl proto otestován jiný kus, který byl vyroben shodným postupem o několik dní dříve a měl totožné parametry. Vnitřek baterie je odhalen v závěru testu. Baterie byla označena pečetěmi TZB-info, aby bylo patrné, že je celou dobu testován stejný kus baterie.

Měření probíhalo s pomocí těchto přístrojů:

• měřící jednotka Maccor 4000 (maximální proud 10 A)
• měřící jednotka ET System (maximální proud 500 A)
• klešťový ampérmetr BRYMEN BM197 s rozsahem do 2000 A

Baterie samotná byla osazena jednoduchým voltmetrem a třemi teploměry – dvěma na kontaktech a jedním na odvzdušňovacím ventilu, který měřil teplotu uvnitř baterie. Pro ilustraci, jaké části baterie se nejvíce zahřívají (ne pro účely měření), byla baterie během vybíjení snímána i termokamerou.

Jedná se o demonstrační video, který má prezentovat chování baterie HE3DA při extrémní zátěži, nikoli o exaktní vědecký experiment. Měření a testování proběhlo v laboratoři a s vybavením firmy HE3DA a baterii zkoušeli lidé, kteří se na jejím vývoji přímo podíleli. I tak máme za to, že výsledky jsou velmi pozoruhodné. Redakce TZB-info garantuje, že test proběhl opravdu tak, jak je prezentován.

V rozmezí zhruba dvou a půl hodiny si jedna a tatáž baterie prošla v pořadí těmito testy:

1. Měření proudu a teploty při pěti vybíjecích pulsech při konstantním vybíjecím napětí 2 V trvajících 60 sekund (mezi jednotlivými pulsy přestávka 60 s). Cílem bylo při opakovaném zatížení změřit jednak proudy, jakých baterie dosahuje a jednak teplotu, jak moc se bude baterie zahřívat. Zajímavé bylo též sledovat regeneraci napětí baterie po skončení jednotlivých pulsů.
2. Jeden vybíjecí puls s napětím 2 V trvající 5 minut (300 sekund). V této části byla sledována zejména teplota baterie.
3. Zkrat baterie trvající přibližně dvě minuty. Cílem testu bylo ukázat, jaký proud dá baterie při zkratu (a tedy kolik je v ní energie) a jak moc se při tom zahřeje.
4. Vyhození z okna. Po zhruba dvouminutovém zkratu byla baterie vyhozena z prvního patra na betonovou dlažbu. Záměrem bylo demonstrovat chování baterie při nehodě.
5. Měření napětí, teploty a druhých zkratových proudů baterie bezprostředně po vyhození z okna. Cílem bylo jednak ověřit, kolik energie zůstalo v baterii po dvouminutovém zkratu a následném nárazu při pádu a jednak demonstrovat bezpečnost baterie.
6. Zkouška bezpečnosti baterie – rozbití baterie kladivem. Baterie byla vystavena sérii úderů těžkým kladivem trvající přibližně 6 minut. Na začátku zkoušky bylo k baterii připojeno led světlo, které sloužilo k ověření funkčnosti baterie během deformace. Účelem této zkoušky bylo rozbít baterii na jednotlivé součástky a předvést tak její bezpečnost a mechanickou odolnost. Zkouška měla dále ukázat konstrukci HE3DA uvnitř obalu, jaká je prezentována na videu z výroby.

Fáze 3 – 6 této zkoušky proběhly za účasti RNDr. Markéty Zukalové, Ph.D. z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AVČR, kde jsou parametry technologie HE3DA pravidelně ověřovány. Markéta Zukalová k průběhu jednotlivých fází následně poskytla komentář.

Výsledky testů a měření byly následující:

1. Baterie při minutovém vybíjení při dvou voltech dávala proud v rozmezí 440 A (začátek pulzu) - 250 A (konec pulzu). Během minutové pauzy mezi jednotlivými pulzy se napětí baterie stihlo vrátit na 3,9 V po prvním pulzu a na 3,6 V po pátém pulzu. Teplota baterie během této zátěže vyrostla o necelých 10° C na 31,9° C. Podrobný záznam hodnot z celé zkoušky naleznete zde.
2. Baterie při pětiminutovém vybíjení při dvou voltech dávala proud 440 A (začátek pulzu) – 100 A (konec pulzu). Minutu od skončení pulzu se napětí baterie vrátilo na 3,3 V. Teplota baterie během této zátěže stoupla o 3° C na teplotu 41,1° C. Podrobný záznam hodnot z celé zkoušky naleznete zde.

3. Při zkratu baterie byl naměřen okamžitý proud 1243 A, který během dvou minut klesl na 280 A. Teplota baterie během dvouminutového zkratu stoupla ze 41,9° C na 44° C, vyšší teploty dosahovaly kontakty, které ohřívaly vnitřek baterie i po skončení zkratu. Hliníkový kontakt se zahřál na 71°, měděný na 59,5°. Jiné fyzické změny na baterii nebyly pozorovány. Podrobný záznam hodnot z celé zkoušky naleznete zde.

4. Po vyhození z okna z výšky přibližně 5 metrů došlo na několika místech k prasknutí plastového obalu baterie a ulomení teploměrů. Žádné další změny na baterii nebyly patrné.
5. Bezprostředně po vyhození z okna byla baterie opět vyzkratována. Při zhruba minutu a půl dlouhém zkratu dala proud 880 A, v závěru zkratu 180 A. Teplota baterie vzrostla ze 46,7 ° C na 50,7° C. Teplotu kontaktů již nebylo možné měřit, protože krajní teploměry se ulomily při pádu z okna. Kromě tohoto zahřátí se opět na baterii neprojevily žádné změny a bylo možné s ní standardně manipulovat.

6. Po zhruba sedmi úderech dochází k rozbití plastového obalu, prasknutí vnitřní fólie a objevuje se první drobné zakouření následkem odpařování elektrolytu. Po připojení LED světla baterie stále dodává proud. S baterií je stále možno bezpečně manipulovat, nosit ji v ruce atd. Při pokračujících úderech občas baterie krátce zakouří, a ač pozbyla část svého obalu, po minutě a půl trvajících úderech kladivem stále byla schopna rozsvítit led světlo. Dalšími údery dochází k uražení kontaktů baterie, čímž je znemožněno další zkoušení pomocí LED světla. Po dvou minutách z baterie poprvé vyjde znatelnější oblak dýmu, ale vnitřek baterie stále drží svůj tvar a nehoří. S pokračujícími údery baterie se z baterie začíná kouřit neustále, stále však nehrozí nic horšího, než nadýchání se výparů. Po čtyřech minutách je již baterie téměř bez obalu a údery jsou směrovány špičkou kladiva přímo do elektrod. Baterie se začíná pod údery kladiva pomalu deformovat a kouří stále silněji. Po pěti minutách nárazů kladiva se baterie začíná rozpadat na jednotlivé elektrody. Po šesti a půl minutách zbývá z baterie hromádka kouřících elektrod, nedochází však ke vznícení ani k výbuchu baterie. Vyjma chvílemi hustého dýmu nehrozí osobám v bezprostředním okolí trosek žádné nebezpečí. Trosky baterie přestávají samy kouřit po několika minutách.

Komentář Markéty Zukalové potvrzuje, že demonstrace ukázala skvělé výsledky a jedinečné vlastnosti tohoto druhu lithiového akumulátoru. Problémem většiny současných lithiových baterií je právě náchylnost k velmi rychlému zahřívání až hoření při velké zátěži nebo při zkratu. Bezpečnost je citlivým tématem zejména u velkokapacitních baterií pro elektromobily, pro energetiku, ale i pro domácí úložiště. Tyto baterie se obvykle skládají ze stovek či tisíců článků a zkrat nebo přetížení každého z nich může ohrozit celou baterii. Zde všude by proto měla technologie HE3DA představovat výrazně bezpečnější alternativu.