Нові типи АКБ як вирішити головну проблеми електрокарів, E-move
Навігація записів
Фактично сьогодні електромобілі не мають суттєвих мінусів, крім одного, але глобального – акумулятора. Саме недосконалість АКБ є причиною інших мінусів: обмеженого запасу ходу та тривалого часу заряду. Однак найкращі вчені планети вже працюють над цим питанням.
Акумулятор електромобіля – це вузол, який вміє накопичувати енергію та віддавати її. Проте накопичення енергії, тобто. зарядка АКБ вимагає чимало часу: навіть кращі результати з 20-30-хвилинними «швидкими зарядками» виглядають повільними на тлі заправки автомобіля на АЗС; що вже говорити про зарядку електромобіля від звичайної розетки за 8-10 годин. Якщо необхідно зменшити час заряду – це означає, що потрібно зменшити і сам акумулятор, що веде до скорочення запасу ходу електрокара: замкнене коло!
Зараз його намагаються розірвати багато компаній та генії-самоучки, але що вийде в результаті, яке рішення буде найкращим – поки що сказати складно. Проте вже намітилося два напрями роботи: створення абсолютно нових конструкцій та доопрацювання вже існуючих акумуляторів. З останнього пункту – як реальнішого – і почнемо…
Поліпшення існуючих АКБ електрокарів
Сьогодні в електромобілях найчастіше використовуються літій-іон акумулятори, де катод виконаний із сплаву рідкісноземельних металів, серед яких обов'язково присутній літій – звідси і назва. Вперше подібні акумулятори з катодом зі сплаву на основі літію були створені ще в 1910-1920-х роках. Однак до стадії готового до продажу продукту ідею довела компанія SONY вже в 1991 році. У той момент літій-іон АКБ приблизно в 4-5 разів перевершувала звичний свинцево-кислотний акумулятор за співвідношенням ємності на 1 кг ваги, а також була позбавлена шкідливого ефекту пам'яті щодо АКБ з нікелем. Цікаво, що вже в 1996 році був створений і інший тип літій-іон АКБ - зі сплавом LiFePO4. На той момент акумулятор подібного типу не був фізично стійкий (дуже боявся трясіння та ударів), а також відрізнявся не найкращою енергопровідністю ряду компонентів. Але в «плюсах» у АКБ з катодом LiFePO4 слід зазначити відсутність рідкісного, дорого, отруйного кобальту (Со), наслідком чого було теоретичне зниження ціни та більша безпека АКБ. Готові «продуктові АКБ» типу LiFePO4 з'явилися лише у 2005-2006 роках, коли вдалося перемогти їх усі вроджені проблеми. Для цього довелося покрити анод шаром тонкого вуглецевого матеріалу.
Підсумок: акумулятори типу LiFePO4 виділяються «зеленим» ставленням до природи та загальним високим рівнем безпеки, малою втратою ємності з часом. А підвищена напруга кожного елемента (3,3В) та його стабільність під час використання (розряду) АКБ дозволяє використовувати меншу кількість елементів для збирання цільної батареї із заданою необхідною напругою. Головний мінус: нижча питома ємність "кВтч на 1 кг" - тут акумулятори типу LiFePO4 програють приблизно 14% щодо показників акумуляторів типу LiCoO2.
Для чого потрібний цей екскурс в історію та техніку? Для того, щоб розуміти, що відбувається всередині акумулятора електрокара. Для того, щоб розуміти, що «Літій-іон АКБ» насправді може бути різним. Класичний літій-іон акумулятор з кобальтом вже йде «зі сцени» через токсичність і дорожнечу цього рідкісноземельного матеріалу. На зміну йому приходять інші типи літієвих акумуляторів. Наприклад, у Nissan Leaf використовуються акумулятори на основі сплаву LiMn2O2, їхпитома ємність становить близько 80 Вт/кг – тобто. Для отримання АКБ ємністю 24 кВтг потрібно зібрати акумулятор вагою близько 300 кг.
Компанія Tesla використовує акумулятор, що містить усередині літій (Li), нікель (Ni), кобальт (Co), алюміній (Al) – їхня питома ємність дорівнює 85-90 Вт/кг. У майбутньому Tesla хоче досягти знакової позначки 100 Вт/кг, це допоможе оптимізація технології виробництва, але не кардинальна зміна типу АКБ. Ще приклад – компанія BYD, яка для всіх гібридів та електромобілів (включно з електричними автобусами) використовує АКБ типу LiFePO4.
Саме у використанні нових варіантів сплавів, в оптимізації форми та розташування осередків АКБ, у покращенні системи вентиляції лежить майбутній розвиток існуючих літій-іон акумуляторів. Ці методи не обіцяють прориву, але обіцяють поступове поліпшення параметром АКБ. Так, акумулятори Samsung SDI отримали змінену форму внутрішніх блоків та зменшення висоти АКБ (на 20-30% тонше). Це дозволяє створювати компактніші акумулятори в порівнянні з акумуляторами стандартного типу порівнянної ємності. А значить – товщина АКБ безпосередньо вплине на висоту підлоги та місткість салону електромобіля.
До речі, поки Samsung ділиться своїми планами нових акумуляторів для електромобілів, його конкурент LG Chem вже завойовує ринок: ці АКБ можна зустріти в електрокарах Tesla Roadster, Chevrolet Bolt, електромобілях та гібридах Audi, Ford, Renault, Nissan. Ще одна розробка – від компанії Kreisil Electronic – передбачає покращену систему охолодження, що має забезпечити покращення ефективності роботи АКБ у різних температурних режимах (проблема зниження ємності акумулятора за сильної спеки).
У результаті цей підхід можна порівняти з «синицею в руках» з приказки – тут різними дрібними поліпшеннями можнадомагатися нехай невеликого, але стабільного зростання ємності АКБ при його постійних розмірах та масі. Однак, чи можна зловити «журавля в небі»?
Нові радикальні ідеї АКБ
Один із перспективних типів акумуляторів – т.зв. графенові. Однак тут скоріше «ідея на слуху», аніж реальна реалізація готового продукту. Графен – це новий матеріал, що є плівкою товщиною в один шар атомів вуглецю, що об'єдналися у вигляді 6-кутової зірки. 2004-го року його винайшов Костянтин Новосьолов, український вчений, який нині працює у Великій Британії, за що й отримав Нобелівську премію з фізики ще 2010-го року.
Графен можна використовувати в транзисторах, сенсорних панелях, для лікування раку. А також для створення нових акумуляторів. Адже графен має чудові можливості для цього: швидко накопичує енергію (обіцяють повний заряд АКБ за 10 хвилин); багато зберігає (гарне ставлення ємності до ваги); не потребує охолодження (низька теплотворна здатність, при правильній конструкції АКБ можна обійтися природною вентиляцією).
Але й мінусів чимало. По-перше, графен дуже складний у виробництві. Є кілька методів виробництва - хімічні (наприклад, оксиди графену з певного хімічного розчину) або фізичні (зрізання тонкої плівки графіту з подальшою обробкою) - але кожен з них дуже складний. По-друге, "складно" означає "дорого": за різними оцінками 1 кв. см графену коштує близько $100 млн.! У результаті графен вже кілька разів обіцяли почати випускати у промислових масштабах (остання обіцянка пролунала у 2015 році), але далі за обіцянки процес не пішов.
У той же час, ходять чутки, що до досліджень графена підключилися дві німецькі компанії, які виробляють електрокари – тобто. вони вірять у майбутнє акумуляторів на базіграфена. Якщо це правда, то в майбутньому ці компанії справді зможуть отримати акумулятор, який стане найважливішим козирем на ринку електрокарів. Але не зрозуміло коли настане це майбутнє.
Інша радикальна ідея – літій-повітряний акумулятор, розробка IBM Battery 500. Тут обіцяють запас ходу 500 миль (800 км) і помітне зниження ваги. Фактично акумулятор буде переставляти собою грати, якими проходитиме повітря: при зарядці – молекули кисню іонізуватимуться, при розряді – проходити через грати і віддавати заряд. У цьому типі АКБ немає нічого складного, ідея хороша і в принципі реалізована «в життя». Питання лише в тому, що серійні літій-повітряні акумулятори нам обіцяють у 2020-2030 роках, а на той час і традиційні АКБ зможуть забезпечити запас ходу в 500-800 км.
З ідей, що зовсім «літають у хмарах», відзначимо акумулятори на основі зубів молюсків (матеріал «магнетит»), використання олова в електродах замість звичного графіту, пористі кремнієві нанопровідники. Наприклад, останні обіцяють збільшення питомої (відношення Вт на 1 кг) ємності АКБ в 4-5 разів щодо звичних літій-іон акумуляторів. Але кремнієві пористі нанопровідники дуже тендітні, вони розтріскуються від власного нагрівання та охолодження в процесі заряду/розряду; плюс вони бояться вібрації, ударів – як їх можна використовувати в електрокарах, які їздять дорогами з вибоїнами, ямами, пагорбами?! Зуби молюсків та олово? Навіщо «винаходити велосипед»? недостатньо легко знайти матеріал, що вміє накопичувати енергію. Потрібно продумати, як отримувати цей матеріал у промислових масштабах та недорого (згадайте графен), як будувати з цього матеріалу акумулятори, вирішити дрібні та несподівані проблеми.
Однак навіть серед радикальних ідей єті, що реальні вже зараз. Один із прикладів – це потоки рідини із зарядженими частинками (іони). Здійснення цієї ідеї показав концепт-кар Quant F з баками для іонних рідин (це рідини, які складаються з їх молекул з певним зарядом «+» або «–»).
При об'єднанні цих рідин у хімічному реакторі на борту електромобіля результатом буде електроенергія та рідина нейтральним зарядом. Плюс такого способу – у швидкісній заправці електромобіля: фактично потрібно подібно до палива на АЗС заливати в один бак одну рідину («+»), в інший бак – другу («–»). Однак мінусів хоч греблю гати: необхідність постійно возити з собою великі баки (концепти Quant мали баки сумарним об'ємом 350 л або 500 л); залежність від спеціальних «іонних АЗС», яких поки що взагалі немає, а коли з'являться – то вони диктуватимуть ціну на рідину. Та й загалом – це лише вирішення питання швидкої зарядки АКБ. Якщо це питання буде вирішено в інший спосіб і новими типами АКБ, то необхідність в іонних рідинах відпаде сама собою.
Друга радикальна ідея, яку можна реалізувати вже сьогодні, полягає у облаштуванні АКБ у зовнішніх панелях електромобіля. Дві графітові панелі та шар електроліту між ними дозволяють створити дуже тонкий акумулятор, який можна будувати буквально куди завгодно: крила, панелі дверей, капот, дах електромобіля. Таким чином, акумулятор не відбиратиме дорогоцінний простір електрокара - ні в днищі, ні в багажнику. Мінуси цього підходу очевидні – складність та дорожнеча кузовного ремонту у разі ДТП; при цьому ймовірність пошкодження акумулятора в рази вища, ніж при його розміщенні в днищі електромобіля.
То все-таки – синиця в руці чи журавель у небі?
Однозначної відповіді це питання немає, потрібно займатисярозвитком акумуляторів за двома напрямками. Якщо говорити про традиційний поступовий розвиток АКБ, то на нас чекають дрібні, але постійні поліпшення матеріалів для катода, системи вентиляції, зменшення габаритів та ваги акумуляторних батарей.
Якщо говорити про радикально-нові рішення, то тут найцікавішими виглядають дослідження матеріалу графена. Адже, крім того, що графен має високу енергетичну ємність, він цікавий і своїми фізичними властивостями: тонкий – це акумулятори для панелей кузов; можна згортати у трубки – це для покращення вентиляції. Словом, графен складний і дорогий у виробництві (поки що), але схоже, що саме тут можна чекати на революцію у створенні акумуляторів.