Vývoj baterií na elektrokolo: Od olověných po moderní lithium-iontové technologie

1. Počátky akumulátorů: od olověných k pokročilým lithium-iontovým systémům

Historie akumulátorů sahá hluboko do minulosti a zahrnuje mnoho inovací, které postupně formovaly dnešní technologie využívané v elektrokolech. Mezi prvními se objevily olověné akumulátory, jejichž vznik se datuje do 19. století. Tyto baterie se vyznačovaly jednoduchou konstrukcí – elektrody z olova ponořené do kyseliny sírové. Přestože jsou olověné akumulátory těžké a mají nízkou energetickou hustotu (30–40 Wh/kg), jejich nízká cena a schopnost dodat vysoké nárazové proudy jim zajišťovaly popularitu až do nedávné minulosti.

Nevýhody olověných akumulátorů:

• Velká hmotnost, která výrazně ztěžuje manipulaci s elektrokolem.
• Nízká hustota energie, což znamená kratší dojezd.
• Rychlá degradace při nedostatečné péči, například při dlouhodobém vybitém stavu.

S postupným vývojem technologií začaly olověné akumulátory ustupovat modernějším systémům, které nabízejí vyšší výkon a nižší hmotnost.

2. Přechod k nikl-kadmiovým a nikl-metal hydridovým akumulátorům

V polovině 20. století se do popředí dostaly nikl-kadmiové (NiCd) akumulátory, které nabízely vyšší odolnost vůči extrémním podmínkám a delší životnost v porovnání s olověnými bateriemi. Tyto baterie snesly hrubší zacházení, mohly být skladovány vybité a byly schopny zvládnout vysoké nabíjecí proudy.

Nicméně kadmium, hlavní složka těchto baterií, je vysoce toxické a jeho dopad na životní prostředí vedl k omezení používání tohoto typu akumulátorů pouze pro průmyslové účely.

Postupem času byly NiCd akumulátory nahrazeny nikl-metal hydridovými (NiMH), které přinesly významná zlepšení:

• Vyšší energetická hustota (60–120 Wh/kg) umožnila delší dojezd na jedno nabití.
• Absence kadmia z nich učinila ekologičtější volbu.
• Možnost rychlonabíjení a delší životnost.

Navzdory těmto výhodám měly NiMH akumulátory také své limity, jako je výrazné samovybíjení (15–30 % měsíčně) a snížený výkon při nízkých teplotách. Díky tomu byly postupně vytlačeny modernějšími lithium-iontovými bateriemi.

3. Revoluce lithium-iontových akumulátorů

První praktické použití lithium-iontových (Li-Ion) akumulátorů vzešlo z laboratoří společnosti Sony v roce 1991. Tato technologie představovala revoluci v oblasti ukládání energie díky své vysoké hustotě energie (až 200 Wh/kg) a nízkému samovybíjení (méně než 5 % měsíčně).

Li-Ion akumulátory přinesly řadu výhod:

• Vysoké nominální napětí (3,7 V na článek), které umožňuje stavbu menších a lehčích baterií.
• Absence paměťového efektu, což znamená, že nabíjení nebylo závislé na předchozím vybíjení.
• Flexibilita konstrukce – baterie lze vyrábět v různých tvarech a velikostech.

Navzdory svým výhodám mají lithium-iontové baterie i určité nevýhody, například citlivost na přebíjení a hluboké vybití, které mohou vést k trvalému poškození. Proto je každá baterie vybavena systémem řízení nabíjení (BMS), který sleduje napětí jednotlivých článků a chrání je před poškozením.

Díky své efektivitě a dlouhé životnosti se lithium-iontové akumulátory staly standardem nejen pro elektrokola, ale i pro další přenosná zařízení.

4. Lithium-polymerové akumulátory: Lehkost a flexibilita

Lithium-polymerové (Li-Poly) akumulátory jsou evolucí lithium-iontové technologie. Tyto baterie si získaly oblibu zejména díky své lehkosti a možnosti výroby v různých tvarech, včetně tenkých a flexibilních struktur, což je činí ideálními například pro moderní elektroniku. V oblasti elektrokol se však využívají méně často.

Vlastnosti Li-Poly akumulátorů:

• Nízká hmotnost – až o 20 % lehčí než Li-Ion články při stejné kapacitě.
• Vysoká hustota energie – hodnoty dosahují 100–265 Wh/kg, což umožňuje výrobu kompaktních a výkonných baterií.
• Možnost rychlého nabíjení – některé modely zvládnou nabíjení na 90 % kapacity za pouhých 15 minut.

Nicméně i tato technologie má své nevýhody:

• Vyšší citlivost na přebíjení a vybití – pokud napětí článků klesne pod 2,7 V, může dojít k jejich nevratnému poškození.
• Tendence k nafukování článků během stárnutí, což může být bezpečnostní riziko.

Lithium-polymerové baterie jsou díky svým vlastnostem oblíbené v malých přenosných zařízeních, ale jejich použití v elektrokolech je limitováno, protože nevyžadují tak extrémní nabíjecí a vybíjecí proudy, jaké Li-Poly akumulátory poskytují.

5. Lithium-železo-fosfátové akumulátory (LiFePO4): Bezpečnost na prvním místě

Lithium-železo-fosfátové (LiFePO4 nebo LFP) akumulátory jsou relativně novou technologií, která byla objevena v roce 1996. Tyto baterie vynikají především svou bezpečností, dlouhou životností a ekologickou přívětivostí.

Výhody LiFePO4 akumulátorů:

• Dlouhá životnost – přes 2000 nabíjecích cyklů, což znamená roky bezstarostného používání.
• Tepelná stabilita – tyto baterie jsou odolné vůči přehřívání a zkratům, čímž eliminují riziko vznícení.
• Nízká toxicita – na rozdíl od jiných typů akumulátorů jsou LiFePO4 šetrné k životnímu prostředí.

I přesto mají určité nevýhody:

• Nižší hustota energie (90–110 Wh/kg), což znamená větší rozměry a hmotnost baterie.
• Citlivost na hluboké vybití, které může vést k nevratnému poškození článků.

LiFePO4 baterie jsou ideální volbou pro ty, kdo hledají bezpečný a dlouhotrvající zdroj energie. Jejich využití v elektrokolech se však teprve rozšiřuje, zejména kvůli vyšším výrobním nákladům.