Kupiłeś akumulator za tysiące dolarów, a wykorzystujesz tylko połowę jego możliwości.
Tysiące dolarów leżą bezużytecznie w twoim garażu z powodu jednej zasady: nigdy nie ładuj powyżej 80% i nigdy nie rozładowuj poniżej 20%.
Co ciekawe, firma sprzedająca najwięcej domowych akumulatorów na świecie ignoruje tę właśnie zasadę. Oto, co zamiast tego robi Tesla i dlaczego może ci to zaoszczędzić tysiące – nawet jeśli masz tani akumulator z Chin lub zestaw do samodzielnego montażu (DIY).
Przy cenie detalicznej wynoszącej około 120 dolarów za każdą kilowatogodzinę (kWh) pojemności, nawet niewielki akumulator 16 kWh stanowi poważną inwestycję. Wariant 32 kWh to już dwukrotność tej kwoty.
Zapłaciłeś więc tysiące dolarów za całą tę pojemność…
…po czym powiedziano ci, żebyś każdego dnia rezygnował ze znacznej jej części.
I być może nawet podziękowałeś za tę radę.
Tak właśnie przedstawiono ci powszechnie uznawaną „mądrość” na temat rozsądnego korzystania z akumulatora:
Rozładowuj tylko do 20%. ładuj tylko do 80%. Dzięki temu akumulator pożyje dłużej! Prawie wiecznie! Wytrzyma 10 000 cykli!
Widzisz, co się właśnie stało? Każda kilowatogodzina pojemności w twoim domu kosztuje teraz 200 dolarów zamiast 120.
Zapłaciłeś za akumulator 32 kWh, ale dzięki internetowym guru nagle stał się on akumulatorem 19 kWh.
Ale, ale, ale… Przecież to dziesięć tysięcy cykli!
Jest tylko jeden problem.
Te mityczne 10 tysięcy cykli to w rzeczywistości mniej niż 6400 cykli pełnych (EFC). Dlaczego? Ponieważ 6400 cykli EFC oznacza wykorzystanie 6400 razy 100% pojemności akumulatora, co dla modelu 10 kWh daje 64 000 kWh całkowitej energii przetworzonej w całym okresie eksploatacji.
Z kolei 10 000 cykli w zakresie 20–80% to 10 000 razy 60% pojemności, co daje 60 000 kWh całkowitej energii przetworzonej.
Zaskoczony? I słusznie. Właśnie ze względu na to powielane kłamstwo dotyczące cykli Tesla nie ma obsesji na ich punkcie. W okresie gwarancyjnym masz do dyspozycji nieskończoną liczbę cykli, a jednocześnie płacisz za 14 kWh i możesz codziennie wykorzystywać 96% tej pojemności! Nie 60%, jak ci doradzano, lecz pełne 13,5 kWh.
Tesla Powerwall udowodniła, że intensywniejsze użytkowanie akumulatora wydłuża jego rzeczywistą żywotność, pozwalając nawet na objęcie go gwarancją obejmującą nieskończoną liczbę cykli. Jeśli więc obiecywano ci większą liczbę cykli, gdy zalecano korzystanie z zakresu 20–80%, warto zauważyć, że nieskończoność to więcej niż 10 tysięcy.
Jak to możliwe, że Elon może rozładowywać i ładować akumulator, jak mu się podoba?
Czy to jakieś voodoo, czy fizyka działa na jego korzyść? I jak możemy odzyskać pełną sprawność naszego akumulatora, a nawet wydłużyć jego żywotność?
Zacznijmy od pytania: po co w ogóle to robić? Dlaczego miałbym rezygnować z części mojej cennej i kosztownej pojemności akumulatora?
Istnieją dwie przerażające odpowiedzi: rozpuszczanie się kolektora prądu anody oraz delitiacja katody.
A prawdziwa odpowiedź brzmi: twój akumulator przekształca się w ogniwo ze stałym elektrolitem (solid-state).
Zacznijmy od mitu, dlaczego nie należy rozładowywać akumulatora do absolutnego zera, oraz od tego, jakie marginesy są bezpieczne i możliwe do utrzymania przy użyciu naszych prymitywnych systemów BMS.
Scenariusz rodem z horroru wygląda tak: przy stanie naładowania (SOC) wynoszącym 0% – czyli całkowitym rozładowaniu – miedź na anodzie zaczyna się rozpuszczać wskutek spadku napięcia anody.
Co tam w ogóle robi miedź i po co jest nam potrzebna? Choć może nie jest to pierwsze skojarzenie, ten pryzmatyczny akumulator LiFePO4 jest zbudowany jak rolka papieru toaletowego: to około 30–45 metrów (100–150 stóp) dwóch cienkich folii – z anodą po jednej stronie i katodą po drugiej oraz separatorem pomiędzy nimi.
Ponieważ anodą w ogniwie LFP jest grafit, potrzebujemy materiału o niższej rezystancji, aby uzyskać setki amperów, jakie to ogniwo może dostarczyć. Poza tym z grafitu nie da się zwinąć rolki, natomiast z folii miedzianej jest to łatwe – zwijamy więc folię miedzianą i nanosimy na nią grafitową zawiesinę. Nie jest to jednak akumulator ze stałym elektrolitem, więc mamy też elektrolit, co można porównać do zwilżenia naszej rolki papieru. W normalnych warunkach miedź jest spolaryzowana, więc nie reaguje z elektrolitem, ale gdy potencjał spada do zera, sytuacja się zmienia. Niektóre aniony zaczynają migrować z naszej cienkiej folii. I co z tego? Zyskujemy lepsze połączenie z otaczającym grafitem.
Przypomnijmy sobie, jak cienkie są te elementy wewnątrz akumulatora – to kwestia mikronów. Kiedy więc zdecydujemy się naładować częściowo rozpuszczoną anodę, miedź zaczyna tworzyć wypustki (igły) w kierunku warstwy katody. Nazywa się je dendrytami, ponieważ przypominają mikroskopijne drzewka wyrastające wewnątrz warstwy grafitu. Powodują one jednak zwarcia i niszczą akumulator.
Dlatego właśnie zaleca się, aby nigdy nie rozładowywać akumulatora poniżej poziomu 20% SOC (stanu naładowania).
Problem w tym, że to tylko straszak – nie ma w tym wiele prawdy, chyba że rozładujemy akumulator znacznie poniżej napięcia 2,5 V na ogniwo.
Dlaczego więc w ogóle stosuje się marginesy bezpieczeństwa i dlaczego Musk również nie pozwala na rozładowanie akumulatorów do 0% SOC?
Chodzi o naprężenia mechaniczne oraz warstwę SEI (ang. *Solid Electrolyte Interphase* – warstwa graniczna elektrolit-elektroda). Naprężenia mechaniczne powstają, ponieważ anoda zmienia swoją objętość, gdy traci i zyskuje atomy – nawet tak małe jak lit. To jak z przybieraniem na wadze u ludzi: ślady pozostają, nawet jeśli potem schudniemy.
Rozładowanie poniżej 3% SOC powoduje również pocienienie lub nawet lokalne zaniknięcie warstwy SEI. To bardzo realny problem, ponieważ warstwa ta jest niezbędna do ochrony anody, a jednocześnie jej ponowne narastanie (staje się grubsza) prowadzi do wzrostu oporu wewnętrznego. Granica ta przypada na około 3,00 V na ogniwo; nie chodzi tu o sam wskaźnik SOC, lecz o to, że przy napięciu 2,8 V między anodą a katodą utrzymuje się potencjał sprzyjający tym niekorzystnym procesom.