Батареи для электромобилей: Батареи для электромобилей: в ЕС дают миллиарды на инновации и утилизацию | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

Батареи для электромобилей: в ЕС дают миллиарды на инновации и утилизацию | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

Почему Евросоюз вдруг настолько озаботился аккумуляторами, что утверждает вторую за 14 месяцев многомиллиардную программу государственной поддержки их европейских производителей? Потому что магистральным направлением развития мирового автопрома становится выпуск электромобилей, их ключевым элементом являются именно аккумуляторные батареи, производство которых, однако, до самого последнего времени было сосредоточено в Азии и США.

В результате европейские автостроители могли оказаться в ситуации, когда им пришлось бы закупать на стороне главную деталь для своей продукции. Это стало угрожать конкурентоспособности и стратегическим перспективам одной из важнейших отраслей экономики Евросоюза. Поэтому надо было срочно переломить ситуацию.   

Марош Шевчович ждет революцию на рынке аккумуляторов

«Около трех лет назад аккумуляторная промышленность в ЕС практически отсутствовала. Сегодня Европа — глобальный центр батарейной отрасли», — подчеркнул Марош Шефчович, вице-президент Европейской комиссии (ЕК), главного исполнительного органа ЕС, давая 26 января «зеленый свет» проекту European Battery Innovation. Он признан «проектом, представляющим общеевропейский интерес» (IPCEI).

Тем самым Брюссель разрешил правительствам 12 стран выделить в общей сложности 2,9 млрд евро на государственную поддержку 42 компаний, разрабатывающих инновационные технологии производства и утилизации аккумуляторных батарей для электромобилей. Ожидается, что эти субсидии приведут к притоку еще 9 млрд евро частных инвестиций.

Производство аккумуляторных батарей на заводе Volkswagen в немецком Зальцгиттере

«Благодаря ориентации на батареи следующего поколения, этот мощный общеевропейский проект поможет произвести революцию на рынке аккумуляторов», — считает Марош Шефчович. По его словам, к 2025 году созданные в ЕС аккумуляторные батареи будут ежегодно приводить в движение не менее 6 миллионов новых электромобилей.

В первом «батарейном альянсе», субсидирование которого в размере 3,2 млрд евро ЕК одобрила в декабре 2019 года, участвовали 7 стран. Наряду с Германией, которая уже тогда выступила инициатором и координатором проекта, это были Бельгия, Италия, Польша, Финляндия, Франция и Швеция. Теперь к ним присоединились еще и Австрия, Греция, Испания, Хорватия, Словакия.

Цель: создание литий-ионных аккумуляторов 3-го и 4-го поколений

От государственной поддержки выиграют не только четыре десятка непосредственных получателей субсидий. ЕК указывает, что эти компании запланировали осуществить до 2028 года порядка 300 проектов, к которым будут привлечены свыше 150 партнеров со всей Европы — университеты, научные центры, малые и средние предприятия.  

Завод по производству лития в Боливии

В списке от Германии — 11 компаний. Самые известные из них — BMW и Tesla. Баварский автостроитель в рамках первого проекта IPCEI уже получает субсидии на разработку следующего поколения литий-ионных аккумуляторов. Теперь, в рамках второго проекта, ему предоставят господдержку на разработку еще одного поколения таких аккумуляторов, а также «для создания прототипа производственной установки по выпуску инновационных батарейных модулей и батарейных систем, более приспособленных для рециклинга», указывается в разъяснениях на сайте министерства экономики ФРГ (BMWI).

Кстати, над созданием «высокоэффективных машин и процессов для полностью автоматизированного производства литиумных батарей 3-го и 4-го поколения» будет работать и машиностроительная компания Manz из Ройтлингена — еще один получатель субсидий из немецкого списка.

Рециклинг, ресурсосбережение и снижение углеродного следа 

Появление в нем американской корпорации Tesla сначала может удивить. Однако с тех пор, как компания Илона Маска строит в Грюнхайде под Берлином завод по выпуску электромобилей и батарей, она как инвестор в экономику Германии имеет полное право на различные формы господдержки. «Центральная цель Tesla в этом проекте состоит в разработке и реализации прогрессивных методов производства и рециклинга литий-ионных батарей, чтобы существенно снизить их экологический след и их себестоимость», поясняет BMWI.

Грюнхайде под Берлином, ноябрь 2020. Строительство гигафабрики Tesla идет полным ходом

О рециклинге или утилизации, об экологических аспектах выпуска электромобилей и о ресурсосбережении речь идет в пояснениях и к другим участникам проекта. Среди них — компания SGL Carbon из Висбадена, разрабатывающая «для инновационных анодных материалов новейшие производственные процессы и концепции рециклинга». Благодаря «снижению углеродного следа, потребления материалов и энергии, а также увеличению жизненного цикла батарей» компания способствует достижению климатических целей ЕС, подчеркивает министерство.

В свою очередь, фирма ACI Systems из города Циммерн-об-Ротвайль получит от немецкого государства деньги на разработку конкурентоспособной технологии для получения «с минимизированным углеродным следом» лития из насыщенной солями природной воды.

Впредь аккумуляторные батареи будут Made in Europe

А фирме Liofit из Каменца будут предоставлены субсидии, поскольку она накапливает ценный ноу-хау для циркулярной экономики (экономики замкнутого цикла). Она специализируется на рециклинге литий-ионных аккумуляторных батарей для электровелосипедов и электросамокатов. «Эти аккумуляторы проверяются, разбираются, рекомбинируются, ремонтируются, а то, что больше нельзя использовать, измельчается с целью повторного использования сырья», указывает BMWI.

По мнению министра экономики ФРГ Петера Альтмайера (Peter Altmaier), полученное от ЕС разрешение на реализацию второго проекта поддержки всей цепочки производства аккумуляторных батарей Made in Europe создаст в Евросоюзе критическую массу для развития новой отрасли, вызовет широкомасштабные частные инвестиции и будет способствовать созданию новых, перспективных рабочих мест. Пока Азия еще лидирует с большим отрывом, но впредь «Германия и Европа будут сами создавать конкурентоспособные, инновационные и щадящие окружающую среду батареи», считает министр.

Смотрите также:

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электростанция из аккумуляторов

  Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Большие батареи на маленьком острове

  Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Главное — хорошие насосы

  Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Место хранения — норвежские фьорды

  Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электроэнергия превращается в газ

  Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Водород в сжиженном виде

  Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  В чем тут соль?

  Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Каверна в роли подземной батарейки

  На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Крупнейший «кипятильник» Европы

  Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Накопители энергии на четырех колесах

  Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).

  Автор: Андрей Гурков

Технология и компоненты в аккумуляторных батареях для электромобилей

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных типах автомобилей, но они играют ключевую роль в случае электромобилей. Технологии, отвечающие за их работу, постоянно развиваются, и различные типы аккумуляторов отличаются друг от друга по применению и техническим характеристикам. Узнайте о типах батарей, используемых в электромобилях.

Технологии в аккумуляторах электромобилей – основные типы аккумуляторов

Аккумуляторы электромобилей (EV) отличаются используемыми в них химическим элементам. В основном мы различаем литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. Выбрать оптимальную аккумуляторную батарею для электромобиля сложно, потому что индивидуальные решения хорошо работают в разных ситуациях.

Ниже вы найдете краткое описание различных типов аккумуляторов, используемых в автомобильной промышленности, а также их применение.

Литий-ионная батарея – большая популярность и высокая производительность.

Несомненно, именно литий-ионные батареи в последние годы внесли наибольший вклад в передовое развитие электроэнергетического сектора. Они характеризуются эффективностью, низкой ценой и высоким уровнем производительности по отношению к весу элементов. Это лучшие батареи, если учитывать три параметра: оптимизация размера и веса батареи, соотношение массы к количеству накопленной энергии и выгодная цена. Литий-ионные батареи также можно найти во многих бытовых устройствах, таких как телефоны, компьютеры или пылесосы.

Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея – для специализированного использования.

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных транспортных средствах, но они играют ключевую роль в случае электромобилей.

Это специальные аккумуляторные элементы, которые достаточно редки по своим химическим и физическим параметрам. Водород является сырьем, требующим особого контроля. Батарея теряет энергию, когда она не используется, но этот недостаток компенсируется длительным сроком службы элементов. Никель-металл-гидридные батареи используются в специализированных устройствах, таких как медицинское оборудование. Решения такого рода характеризуются высокой себестоимостью производства.

Свинцово-кислотные аккумуляторы – низкий срок службы и впечатляющая мощность.

Аккумуляторы этой категории характеризуются отличными параметрами мощности. В электромобиле, однако, приходится делать ставку на решение, которое характеризуется высокой эффективностью даже при низких температурах, где такие батареи работают плохо. Несмотря на то, что стандартные аккумуляторные батареи автомобиля также фиксируют снижение таких условий, свинцово-кислотные элементы демонстрируют худшие показатели в этом аспекте. К их преимуществам относятся низкая себестоимость и надежность.

Суперконденсаторы – поддержка производительности аккумуляторов.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы в первую очередь используются для обеспечения необходимого электропитания при временном отключении электричества. По этой причине они также полезны в электромобилях, где их роль заключается в обеспечении достаточной мощности, когда требуется больше энергии.

Многие электромобили используют аккумуляторные батареи – несколько элементов одновременно. Сочетая возможности суперконденсаторов с литий-ионными и никель-металлогидридными аккумуляторами, можно добиться лучших результатов, чем при использовании одиночных элементов. В настоящее время в автомобильном секторе доминируют литий-ионные аккумуляторы, чаще всего используемые в электромобилях.

Литиево-ионные или никель-металл-гидридные аккумуляторы – как выбрать лучшую батарею для электромобиля?

Из-за описанных выше параметров литий-ионная батарея используется чаще всего. Более того, технология, связанная с этими элементами, все еще развивается. Ведущие поставщики работают над тем, чтобы разрушить дальнейшие барьеры на пути к ассортименту транспортных средств, которые используют данный тип батареи в качестве источника энергии.

Никель-металл-гидридные батареи используются в гибридных транспортных средствах. Сектор EV редко использует свинцово-кислотные батареи, хотя они иногда дополняют литий-ионные батареи. На современном этапе развития эта технология еще не готова к использованию в более широком масштабе.

Суперконденсаторы находят свое место и в электромобилях, позволяя увеличить мощность автомобиля при высокой нагрузке. Благодаря этому во время разгона может поддерживаться стандартный аккумулятор. Суперконденсаторы также очень важны для рекуперативного торможения, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электричество.

См. также: Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей — когда следует заменять аккумуляторные батареи электромобилей?

Какой тип батареи используется в электромобилях?

Использование конкретного элемента зависит не только от его производительности, но и от типа транспортного средства. В случае полностью электрических транспортных средств и plug-in гибридов, которые могут быть заряжены от розетки, мы, как правило, имеем дело с литий-ионными батареями. Традиционные гибриды используют в основном никель-гидридные батареи. Больший вклад двигателя внутреннего сгорания в работу транспортного средства позволяет обеспечить более высокий уровень потерь энергии, когда он не используется. Следует также помнить, что в случае гибридных автомобилей элементы долгое время не работают при максимальной нагрузке.

Электромобили намного эффективнее, чем автомобили внутреннего сгорания. Стоимость электроэнергии в большинстве случаев значительно ниже, чем цена топлива, необходимого для проезда по аналогичному маршруту. Наиболее эффективные решения на рынке в настоящее время позволяют преодолевать расстояние около 500 км на одной зарядке.

Партнерство с компанией «KNAUF AUTOMOTIVE» – получение всесторонней поддержки опытного партнера.

Для того чтобы обеспечить оптимальные решения в области электрических батарей, вы не можете работать в одиночку. В течение многих лет компания Knauf Industries работает над внедрением инноваций в автомобильной промышленности. Благодаря командам инженеров, работающих в лаборатории ID Lab, нам удалось превратить полученные за эти годы знания в потенциал на будущее. Мы разрабатываем новые решения по изоляции автомобильных аккумуляторов, компонентов аккумуляторов, электрических кабелей, фитингов для холодильных труб и сепараторов аккумуляторных элементов.

Мы хотим предоставлять нашим партнерам аккумуляторные батареи с гораздо более высокими эксплуатационными характеристиками и оптимизированным сроком службы.

Чтобы предотвратить выход аккумулятора из строя при слишком низких или слишком высоких температурах, важно помнить об изоляции, которая при этом не будет существенно влиять на вес автомобиля. Наш взгляд на будущее сочетает в себе электромобильность с экологией — мы предлагаем такие материалы, как пенополипропилен и пенополистирол, которые на 100% пригодны для вторичной переработки. Мы приглашаем к сотрудничеству предприятия автомобильной отрасли, которые хотят всесторонне поддерживать свое производство.

Хотите получить более специализированные знания?

Твердотельные батареи создают сразу пять крупных конкурентов | Альтернативная энергетика

Твердотельные батареи часто рассматриваются как своего рода “Святой Грааль” в аккумуляторной индустрии.

А теперь рынок твердотельных аккумуляторов стал намного более конкурентоспособным после выхода на рынок крупнейшего в мире производителя автомобилей Toyota Motor с крупными инвестициями.

Вот пять компаний, которые стремятся разработать твердотельные батареи нового поколения.

В течение многих лет Toyota пристально следила за сектором твердотельных накопителей и даже имеет наибольшее количество патентов на данные технологии. Однако крупнейший в мире автопроизводитель только что поднял ставки после того, как объявил о своем намерении инвестировать к 2030 году более 13,5 млрд долларов в разработку аккумуляторов следующего поколения, включая твердотельные.

В настоящее время Toyota официально возглавляет производство твердотельных аккумуляторов, которые можно назвать потенциальным переломным моментом для автопроизводителей. Эти батареи более энергоемкие, заряжаются быстрее и менее подвержены возгоранию. Компания могла бы использовать твердотельные батареи для гибридных электромобилей, таких как Prius.

Компания QuantumScape Corporation со штаб- квартирой в Сан-Хосе, Калифорния, находится на стадии разработки и коммерциализации твердотельной литий-металлической батареи для электромобилей.

Компанию поддерживают Volkswagen, Билл Гейтс и SAIC Motors, и она считается лидером в производстве твердотельных аккумуляторов.

Батареи QuantumScape имеют катод и твердотельный керамический сепаратор, который подключается к анодному электрическому контакту. Когда батарея заряжается, литий в катоде отделяется и проходит через керамический сепаратор, который производит анод из металлического лития, а он, в свою очередь, генерирует зарядку с высокой плотностью энергии для электромобилей.

Аккумулятор QuantumScape имеет значительные преимущества перед литий-ионными. Это быстрая зарядка от 0% до 80% менее чем за 15 минут по сравнению с зарядкой от 10% до 80% за 60 минут для литий-ионных аккумуляторов. Это значительно более длительное время автономной работы. Батареи QuantumScape показали более 1000 циклов со средним значением удержания энергии более 90%. Компания планирует начать коммерческое производство в период с 2024 по 2025 год.

Компания Solid Power из Колорадо. Ford и BMW Group стремятся использовать низкозатратные высокоэнергетические аккумуляторные технологии Solid Power в будущих электромобилях. Возможно, самым большим достижением в разработке, которым может похвастаться Solid Power, является технологичность элементов.

Масштабируемость – одна из самых серьезных проблем для твердотельных батарей. Solid Power внедрила производство Roll-to-Roll в свой производственный процесс. С 2019 года Solid Power эксплуатирует пилотную установку мощностью 6,5 МВт*ч в год. Напротив, QuantumScape в настоящее время не имеет собственного экспериментального завода, хотя планирует открыть его к 2023 году. Solid Power смогла значительно снизить потребность своих партнеров в переоборудовании существующих производственных мощностей, что является дорогостоящим и трудоемким мероприятием.

В прошлом году Samsung представил высокопроизводительные и долговечные твердотельные батареи. Его прототип аккумуляторного отсека способен обеспечить пробег электромобиля на расстояние до 800 километров без подзарядки и имеет срок службы более 1000 зарядов. В мае Samsung объявил, что к 2025 году разработает большие полностью твердотельные аккумуляторные элементы, а в 2027 году начнет их массовое производство. Samsung уступает только Toyota по количеству международных патентов, относящиеся к технологии полупроводниковых аккумуляторов.

Британская компания Ilika plc занимается проектированием, разработкой и производством твердотельных батарей в основном в Великобритании, Азии, Европе и Северной Америке. Компания предлагает аккумуляторы для различных приложений в промышленном Интернете вещей, электромобилях, умных городах, бытовой электронике, медицине и транспорте. Ilika также ускоряет разработку новых материалов для энергетики и электроники с помощью запатентованных технологий. Компания разработала твердотельные батареи, суперсплавы, катализаторы топливных элементов, заменители пьезоэлектрических материалов и т. д.

Литий-ионные батареи для электромобилей

Основой конструкции электромобиля является силовая установка. В ее состав входит несколько электродвигателей и аккумуляторных батарей. В отличие от автомобилей с ДВС, работающих на стартерных аккумуляторах, электромобили используют тяговые АКБ. Их главное отличие заключается в постоянном снабжении работающих двигателей запасенной электроэнергией.

Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, а тяговые выдают меньшие токи, но работают в постоянном режиме. Они выступают непосредственными источниками питания электродвигателей и обеспечивают высокую эффективность преобразования полезной энергии – свыше 90%. Для сравнения, автомобили на ДВС получают от своих двигателей всего 40% полезной энергии.

Какие батареи используются в электромобилях?

 

Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет доминировать еще несколько лет, что подтверждают и инвестиции ведущих производителей экомобилей. Технологии развиваются, и весь мир ожидает революции в производстве аккумуляторных батарей. Но пока Li-ion аккумуляторы остаются вне конкуренции.

Некоторые изменения коснулись только химического состава катода. В частности, компания Tesla сейчас использует никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы Panasonic и никель-марганцево-кобальтовые (NMC) ячейки LG Chem со сниженным содержанием кобальта. Использование катода с 80% Ni, 15% Co и 5% Al позволило повысить емкость элементов без ущерба для их температурной стабильности. Иногда применяется соотношение компонентов Ni:Mn:Co=8:1:1. Компания CATL производит NMC-аккумуляторы с 20% кобальта.

Особого внимания заслуживают литий-железо-фосфатные АКБ — LiFePO4. Эта разновидность Li-ion аккумуляторов минимум вдвое превосходит аналоги по циклическому ресурсу, имеет расширенный диапазон рабочих температур и максимально безопасна в эксплуатации. Такие батареи используются, например, в китайском электроседане BYD Han и обеспечивают ему пробег на 1 заряде до 605 км.

 

Емкость и запас хода

 

Пробег на 1 заряде зависит от энергоемкости используемых в электромобиле литиевых батарей и других факторов: силы и направления ветра, рельефа местности, загруженности автомобиля и т.д. В таблице приведены ориентировочные характеристики самых дальнобойных электромобилей:

Модель	Энергоемкость, кВт·ч	Максимальное расстояние пробега на 1 заряде, км
Tesla Model S	100	610
BYD Han EV	77	605
Ford Mustang Much-E	98,8	600
Tesla Model 3	75	560
Volkswagen ID. 3	82	550
Tesla Model X	100	507
Skoda Enyaq	82	500
Hyundai Kona Electric	67,1	480
Jaguar I-Pace	90	470
Porsche Taycan	93,4	462
Kia e-Niro	67,1	455
Kia e-Soul	67,1	452
Audi e-Tron	95	446
BMW iX3	80	440
Volvo XC40 Recharge	78	425
SEAT el-Born	62	420
Mercedes EQC	85	417
Renault Zoe	55	395
Nissan Leaf	62	385
Chevrolet Bolt	60	380
Peugeot e-208	50	340

 

Многие модели электромобилей поставляются в разных вариантах комплектации – с АКБ различной емкости. Поэтому и дальность пробега на 1 заряде даже у автомобилей одной марки отличается.

Ресурс Li-ion батарей в электромобилях

Срок службы литий-ионных батарей для электромобилей составляет 1000–1500 циклов заряд-разряд, что в среднем соответствует 8–10 годам эксплуатации. Вдвое больший ресурс имеют АКБ типа LiFePO4. Производители электромобилей дают на свою продукцию гарантию 5–8 лет. Поэтому если при эксплуатации экомобиля какой-либо модуль батареи преждевременно выйдет из строя, покупатель может рассчитывать на его замену.

Срок службы литиевых АКБ сокращается при частом использовании технологии быстрой зарядки. Этот способ удобен, т.к. позволяет за полчаса или час восполнить 80% заряда, но он в 1,5–2 раза ускоряет естественную деградацию Li-ion аккумуляторов. Поэтому чтобы продлить срок службы батареи, ее нужно заряжать меньшими токами.

Стоит отметить, что батареи типа LiFePO4 менее чувствительны к быстрому заряду и более устойчивы к деградации, чем Li-ion АКБ остальных видов.

Зарядка АКБ электромобилей

 

Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В. Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева.

Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.

Снижение емкости АКБ

Емкость Li-ion батарей постепенно снижается, даже если они просто лежат на складе. Через несколько лет номинальная емкость АКБ уменьшается на 20–30%. Например, батареи популярных электромобилей Tesla Model S и Nissan Leaf на практике теряют 5–10% емкости за первые 2 года эксплуатации и еще 15–20% за следующие 3 года. В дальнейшем ежегодное снижение емкости у них составляет 1–5%.

В связи с этим сокращается и расстояние пробега на 1 заряде. Так, приобретенный более 5 лет назад Nissan Leaf может преодолевать без подзарядки до 130 км пути, хотя изначально проезжал 160 км. Выпущенные в 2013 году электромобили Tesla Model S и сейчас преодолевают на 1 заряде не менее 200 км, но изначально проезжали 335 км. Похожие тенденции наблюдаются и у экомобилей других марок.

Замена аккумуляторных модулей

Батарея электромобиля состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых собирается по определенной схеме для получения необходимых значений напряжения и емкости. Если какой-либо модуль поврежден или преждевременно вышел из строя по другой причине, он подлежит замене. Модульная конструкция батарей электромобилей позволяет менять аккумуляторные блоки выборочно.

Но для эффективного применения Li-ion батарей в электромобилях и других видах техники важно, чтобы характеристики всех модулей были максимально идентичными. Если же использовать вместе с новыми модулями старые блоки со значительно меньшей емкостью, они быстрее выйдут из строя.

Утилизация и переработка литиевых АКБ

Для полноценного развития электротранспорта важно организовать безопасную утилизацию и эффективную переработку литиевых батарей. С одной стороны, это важно для экономного расходования природных ресурсов: лития, кобальта, никеля, алюминия и других минералов. С другой стороны, нельзя допустить загрязнения планеты опасными химическими отходами.

Батареи электромобилей подлежат замене в среднем через 8–10 лет эксплуатации, когда их начальная энергоемкость снижается на 30%. Такими аккумуляторами можно оснащать солнечные электростанции и другие системы.

Батареи, полностью отработавшие свой ресурс, подлежат переработке с извлечением и повторным использованием содержащихся в них компонентов. В дальнейшем их можно использовать не только для производства батарей, но и для других целей.

Важный плюс переработки литиевых батарей – возможность сократить добычу минералов, а также снизить стоимость химических элементов и самих аккумуляторов. Ожидается, что именно переработка отходов позволит минимизировать затраты и повысить доступность электромобилей. Пока еще мало батарей электромобилей отработали свой ресурс. Но постепенно их количество будет расти, поэтому переработка аккумуляторных отходов считается очень перспективным и необходимым направлением.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о том, откуда берется литий для батарей, и почему он дорожает.

У рынка электромобилей появилась новая угроза: Рынки: Экономика: Lenta.ru

Южнокорейские гиганты, производящие аккумуляторные батареи для мировых компаний электромобилей, столкнулись с угрозой нехватки квалифицированных кадров, передает Reuters.

Компании LG Energy Solution, SK On и Samsung SDI Co Ltd, контролирующие треть мирового рынка аккумуляторных батарей для электромобилей, заявили, что все они борются с острой нехваткой грамотных специалистов в области исследований и инженерии. Три основных южнокорейских гиганта снабжают оборудованием мировые бренды, такие как Tesla, Volkswagen и Ford Motor.

Материалы по теме

00:01 — 21 сентября

00:02 — 30 сентября

За последние пять лет мировой рынок аккумуляторов увеличился вдвое. Производители батарей отмечают, что спрос на них растет. При этом они не могут найти достаточное количество специалистов с подготовкой, необходимой для развития новейших технологий, например, твердотельных батарей. Согласно данным Корейской ассоциации производителей аккумуляторов, компаниям не хватает почти 3 тысячи сотрудников с ученой степенью в таких областях, как «исследования» и «дизайн». В настоящее время в южнокорейских компаниях работает около 19 тысяч кадров.

Для решения проблемы компания LG Energy Solution уже заявила о планах открыть новую фабрику в престижном корейском университете с гарантированными трудоустройством для выпускников. При этом компания также пытается найти специалистов в США, устраивая там специальные мероприятия по поиску и найму новых кадров.

Кризис в Южной Кореи отражает растущую нехватку талантов на мировом рынке аккумуляторов, который, по прогнозам консалтинговой компании IHS Markit, к 2025 году вырастет втрое (до 90 миллиардов долларов). Группа планирования Европейского батарейного альянса заявила, что рынку также необходима переподготовка и повышение квалификации сотрудников, потому что к 2025 году отрасли потребуется 800 тысяч рабочих. «Спрос на таланты в индустрии аккумуляторов превышает предложение, и производители стремятся получить эту небольшую группу людей, которые могут работать с этой технологией», — заявил аналитик по ценным бумагам Samsung Чо Хён Рюль.

«Нехватка рабочей силы в аккумуляторной индустрии уже стала глобальной проблемой, поскольку многие компании начинают расширять свои мощности», — отмечает главный аналитик IHS Markit Ричард Ким. При этом спрос на электромобили продолжает расти. По мнению исследователей, к 2040 году на электромобили будет приходиться как минимум две трети всех продаж авторынка в мире, а жители европейских стран уже начали постепенно отказываться от покупки обычных автомобилей с бензиновыми двигателями.

К концу года 80% батарей для электромобилей будут с высоким содержанием никеля

Основной потребитель никеля (73%) традиционно производство нержавеющей стали. И спрос в этой отрасли поддерживается увеличением производства нержавеющей стали в Китае и Индонезии. На долю Китая приходится примерно половина мирового производства и потребления стали. Что касается нержавеющей, то в 2019 г. ее производство (с содержанием никеля 10%) в Китае составит, по прогнозам, 13,5 млн т из всего примерно 40 млн т в мире.

Импорт никеля в Китай за первые шесть месяцев 2019 г. вырос на 43% (в годовом сопоставлении), составив 300 000 т, сообщает в полугодовом отчете компания «Норникель», подконтрольная «Интерросу» Владимира Потанина. Компания производит 10% первичного и 23% рафинированного никеля в мире.

Но производство нержавеющей стали – не единственный рынок потребления никеля, уверены в компании, все больший спрос предъявляют производители аккумуляторных батарей для электромобилей – никель служит материалом для катодов. Пока спрос не превышает 4% мирового потребления никеля, но быстро растет, пишет «Норникель». В 2018 г. потребление никеля производителями автобатарей составляло 70 000 т. В 2019 г. оно вырастет на 28,6%, а в 2020 г. – еще на 27,8%, приводит данные компания. Доля никелевых батарей в этом году составит 80%. Всего в 2019 г. будет произведено порядка 500 000 т катодов. Еще в 2017 г. доля никелевых катодов не превышала 50%, а их производство было менее 400 000 т.

По данным Международного энергетического агентства, в 2018 г. продажи новых электромобилей в мире (включая гибриды) выросли почти на 70% – с 1,17 млн до 1,97 млн шт. К 2025 г. производство гибридных автомобилей и автомобилей на батареях превысит 25 млн шт., прогнозирует «Норникель». Для бензинового или дизельного автомобиля требуется 2–4 кг никеля, по данным компании, для гибрида – в 2,5–3,75 раза больше: от 5 до 15 кг, а для электромобиля – от 30 до 110 кг никеля, в 15–27,5 раза больше, чем для обычного автомобиля. В первом полугодии 2019 г. продажи никеля уже выросли на 13% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года, отчитался «Норникель». На рынке сохраняется дефицит никеля – в 2019 г. он составит 67 000 т, что провоцирует рост цен на металл. За полгода он подорожал на 44,7% до $15 665 за 1 т.

Батареи стали крупным и быстро растущим рынком для никеля, соглашается младший директор Fitch Вячеслав Демченко. По его оценкам, потребление никеля в автомобильных батареях может вырасти более чем в 2 раза за пять лет и составить 10% общего потребления этого металла. Никель будет вытеснять более дорогой и редкий кобальт в аккумуляторах, поясняет эксперт. Однако серьезного дефицита никеля на рынке возникнуть не должно, уверен Демченко: рост спроса на этот металл будет стимулировать компании увеличивать его предложение. Одним из главных направлений в стратегии развития «Норникеля» до 2025 г. является увеличение производства цветных металлов – оно должно вырасти к 2020 г. на 5–8% в сравнении с показателями 2017 г. А после 2025 г. компания планирует увеличить производство цветных металлов еще на 15%. Это позволит компании удовлетворить растущий спрос, вызванный структурными изменениями в автомобильной промышленности. И компания ожидает, что дефицит никеля к 2020 г. сократится до 27 000 т.

«Норникель» более устойчив к макроэкономическим факторам, чем его конкуренты, полагает аналитик «Атона» Андрей Лобазов. Риски замедления китайской экономики, конечно, оказывают негативное влияние на цены металлов, производимых «Норникелем», но такие процессы, как трансформация автомобильной отрасли, идут независимо от большинства глобальных факторов, что позволяет «Норникелю» показывать опережающую динамику прибыли, заключает эксперт.

Как решают проблему утилизации батарей в странах мира 2021

Мировой парк электромобилей активно развивался последнее десятилетие, и в 2020 году количество зеленого транспорта на дорогах достигло 10 миллионов. В общем объеме продаж автомобилей на электрические авто приходится уже 4,6 %.

Всего в 2020 году зарегистрировано около 3 миллионов новых «екарсов», что на 43 % больше показателя 2019 года. Примечательно, что впервые в лидеры вышла Европа, зарегистрировав 1,4 млн новых авто. Далее следует Китай — 1,2 миллиона, затем США — 295 тыс. Одновременно с ростом рынка легкового электрического транспорта увеличилось количество электрических автобусов и большегрузных автомобилей.

Быстрый рост отрасли активизировал как производителей, так и государственные ведомства. Их волнуют не только меры по стимуляции производства и улучшению электрической инфраструктуры, но и глобальные решения по переработке и утилизации батарей, выработавших свой ресурс.

Средний срок службы аккумулятора электромобиля

Срок службы аккумулятора зависит от активности его эксплуатации и составляет от 1000 до 1500 циклов заряда/разряда. Если переложить эту цифру на расстояние, то получится от 200 000 до 500 000 км. Таким образом, для электромобиля, проезжающего 20 000 км в год, батарея может прослужить от 10 до 15 лет. АКБ в современных моделях способны сохранять работоспособность до 20 лет. На средний срок службы аккумулятора также влияют естественное старение и условия эксплуатации, например, перепады температур. Очень многое зависит от химического состава.

Что делают с использованными аккумуляторами

Электромобили могут помочь в борьбе экоактивистов за снижение загрязнения воздуха и общее улучшение климата. Но утилизация литий-ионных батарей, на которых они работают, представляет серьезную проблему.

Ожидается, что уже к 2030 году будет выведено из эксплуатации 100–120 ГВт*ч аккумуляторов. Это цифра сопоставима с текущим годовым объемом производства АКБ. Без эффективных мер по переработке таких запасов ситуация перерастет в серьезную экологическую проблему.

Когда аккумулятор в конце срока службы извлекают из автомобиля, может быть три варианта развития событий.

Переработка 

Извлечение ценных металлов (кобальт, марганец, никель и литий), которые затем используют в производстве новых аккумуляторов. В то время как переработка свинцово-кислотных батарей достигает 99 %, литий-ионные версии только начинают свой путь. Пока очень сложно получить точные данные о том, какой процент литий-ионных аккумуляторов в мире перерабатывают. Но большинство экспертов оценивают его менее чем в 5 %. 

Вторичное использование 

По сути, это вторая жизнь аккумулятора. Его можно использовать:

• как стационарный накопитель для обслуживания электросетей, 
• как запасную батарею для электромобиля,
•  для солнечных и ветряных электростанций. 

Когда возможности удержания емкости АКБ падают до 80 %, его больше нельзя использовать в транспортном средстве. Но для батареи мощностью 60 кВт*ч, рассчитанной на 1500 циклов, жизнь продолжается. Она вполне способна обеспечить 18 мВт*ч электрической нагрузки. Этого достаточно для питания электричеством обычного дома более чем на 15 лет.

Утилизация

АКБ просто отправляют на свалку или другое место захоронения без восстановления какой-либо оставшейся стоимости. 

Новые законодательные акты Европейского Союза, США и других стран предусматривают ответственность поставщиков электромобилей за утилизацию батарей в конце срока службы. Уже сейчас производители и перерабатывающие компании начинают изучать и внедрять новые уровни переработки.

Особенности процесса в странах Евросоюза

На текущий момент в Европе зарегистрировано более 2 млн электромобилей. К 2025 году их количество может достичь 7–8 миллионов. Эксперты ожидают обострение вопроса утилизации отработанных батарей к 2028–2030 гг. Поэтому время для отработки процесса рециклинга или полностью безотходного производства аккумуляторов у европейцев еще есть.

Нюансы законодательства

Законодательная база для управления жизненным циклом аккумуляторов в Евросоюзе наиболее сильная, и она включена в законодательство всех стран-членов ЕС.

Согласно законам, действующим на территории ЕС, за утилизацию и переработку аккумуляторов отвечают компании-производители. Переработка батарей технически возможна. Пилотные заводы уже пытаются это реализовать. Вопрос в том, при каких условиях и с каким результатом можно это делать. 

Батареи электромобилей классифицируют как промышленные и, следовательно, они подчиняются тем же правилам, что и батареи стационарных систем хранения энергии. В эту же категорию относят и АКБ другого электротранспорта (мотоциклы, самокаты, велосипеды).

• Все производители аккумуляторов обязаны забирать отработанные батареи без взимания платы с конечных пользователей. 
• АКБ снимают в специализированных мастерских и передают в пункты приема. 
• Далее их направляют на предприятия по переработке отходов или для вторичного использования.

Вторая жизнь батарей: практика Германии

Лидеры разработок по вторичному использованию аккумуляторов на практике приходят к выводу, что вторая жизнь батареи составляет 10–12 лет. К примеру, завод BMW в Лейпциге, на котором собирают BMW i3, установил стационарную систему хранения. Она состоит из 700 соединенных между собой аккумуляторов от i3. Солнечная и ветровая энергия, вырабатываемая во время производства, оседает в этом большом хранилище для дальнейшего использования.

В Германии существует несколько проектов по разработке новых бизнес-моделей. Еще один пример: на паромном терминале в порту Гамбурга есть большой резервуар с батареями i3. Емкость аккумуляторов составляет не менее двух мегаватт. Они служат для компенсации колебаний или пиков спроса в энергосистеме Гамбурга.

Сейчас в Европе мы видим рост инициатив в области переработки, а также вторичного использования отработанных аккумуляторов. Главная задача Европейского аккумуляторного альянса (EBA — The European Battery Alliance) — создание замкнутого цикла. Прежде всего это доступ к вторичному сырью через переработку АКБ. Кроме того, альянс планирует выстроить устойчивые цепочки поставок элементов для новых батарей. Нужно вводить все больше новых мощностей для удовлетворения растущих объемов. Такие меры станут ключом к созданию конкурентоспособной и устойчивой аккумуляторной индустрии в Европе.

Нюансы переработки и утилизации батарей в Китае

Пекин также стремится бороться с растущими отходами. По данным Greenpeace, в ближайшие десять лет страна получит около 7 млн тонн литий-ионных аккумуляторов, отработавших свой ресурс. 

Китай, крупнейший в мире пользователь электромобилей и батарей, запускает собственные схемы утилизации, а также внедряет системы отслеживания, которые контролируют весь срок службы батареи от производства до утилизации. Ответственность за переработку аккумуляторных блоков лежит на производителях.

Министерство промышленности и информационных технологий (MIIT) сформировало список отрасли по комплексному использованию отработанных АКБ. В него вошли около 27 предприятий. Несмотря на это, менее 10 % отслуживших аккумуляторов перерабатывают или используют повторно. Большая часть разряженных АКБ попадает на заводы по разборке и в небольшие мастерские без профессионального оборудования. 

Это сопряжено с определенными экологическими рисками: 

• китайская система переработки неидеальна, 
• соответствующие стандарты утилизации аккумуляторов и производственная цепочка не до конца сформированы, 
• отсутствуют доминирующие игроки на этом рынке, что объяснимо пока еще ограниченной прибыльностью отрасли.

В ближайшие 3–5 лет отходы уже начнут накапливаться. Поэтому правительство подталкивает крупные компании к постройке новых масштабных объектов по переработке АКБ и ликвидации растущего источника загрязнения.

Законопроекты по АКБ в США

Согласно отчету экологической компании Earthworks, 8 штатов США приняли правила обращения с отходами перезаряжаемых батарей. Но только 3 из них прямо запрещают утилизацию литий-ионных аккумуляторов на свалках и продвигают бесплатную систему возврата использованных АКБ.

Правила утилизации АКБ в США пока очень «фрагментарны». Они различаются в ряде штатов, так как отсутствует согласованная политика на федеральном уровне. Но недавние предложения от ЕС могут послужить моделью для основных рынков электромобилей по всему миру.

Программа Байдена

Для решения проблемы в Калифорнии был предложен ряд законопроектов, регулирующих переработку и повторное использование аккумуляторов, учреждены гранты для разработки технологий и бизнес-моделей. В штате создали Консультативную группу для разработки рекомендаций по утилизации батарей безопасным и экономичным способом.

Президент Байден определил борьбу с изменением климата и соревнование с Китаем центральными пунктами своей программы. Цели демократической партии США:

• до 2030 года значительно увеличить долю электромобилей на дорогах;
• к 2040 году полностью перейти на электрический транспорт. 

Серьезное препятствие для реализации этих мер — проблема добычи достаточного количества кобальта, лития и другого сырья для производства АКБ. Планам администрации поможет расширение внутренней сети переработки, которая позволит использовать старые электромобили для создания новых.

Производители-участники программы

В июне 2021 года президент утвердил новую стратегию по утилизации батарей электромобилей. Помимо регулирования процесса утилизации, она дает зеленый свет исследованиям и разработкам, направленным на дополнительное использование добытых при переработке металлов. В Соединенных Штатах уже сейчас открываются заводы по переработке батарей:

• Amazon.com Inc (AMZN.O) осенью 2020 года инвестировала в Redwood Materials, фирму по переработке отходов из Невады. Компания, в свою очередь, подписала контракт по переработке лома и деталей аккумуляторов у подрядчика из Теннесси для Nissan Motor Co.
• Tesla Inc (TSLA.O) разрабатывает систему утилизации аккумуляторов на своей фабрике в Неваде и заключает контракты со сторонними переработчиками. Кстати, бренд вскоре должен выпустить первую партию фирменных батарей 4680.
• Правительство США является крупнейшим акционером горнодобывающей инвестиционной компании TechMet, которая, в свою очередь, инвестирует канадскую фирму по переработке аккумуляторов Li-Cycle Corp.

Новые технологии и рост заводов по переработке в Японии

В октябре прошлого года японский химик Акира Ёшино получил Нобелевскую премию за разработку стабильных литий-ионных аккумуляторов. 71-летний ученый предупредил: предстоит еще много работы. Чтобы удовлетворить большой спрос на аккумуляторы и сырье, необходимое для их производства, промышленность должна разработать новые технологии переработки батарей. 

Япония была лидером в области электромобилей и аккумуляторных технологий. Теперь ее компании становятся флагманскими и в решении вопроса утилизации.

Заводы по переработке АКБ

Министерства экономики, торговли и промышленности и Японская ассоциация автопроизводителей создали устойчивую систему переработки, при которой расходы несут все заинтересованные стороны. Регулирует деятельность компания Japan Auto Recycling Partnership, базирующаяся в Токио и финансируемая автопроизводителями. Заводы по переработке вторсырья созданы в 7 префектурах Японии: Хоккайдо, Акита, Ибараки, Айти, Окаяма, Хиросима и Ямагути.

Прошлой весной дочерняя компания автопроизводителя Nissan, 4R Energy Corp. построила в префектуре Фукусима завод по переработке АКБ. Здесь старые аккумуляторы Leaf перепрофилируют для использования в других электрокарах, включая заводское транспортное оборудование (вилочные погрузчики). Группа Nissan может проверить возможности старых аккумуляторов за считаные часы. Для сравнения: другим компаниям на такой анализ потребуются недели.

4RE также объединилась с японской MIRAI-LABO в пилотном проекте. Старые аккумуляторы электромобилей используют в качестве хранилища для уличного освещения на солнечной энергии.

Еще один крупный автопроизводитель, Toyota Motor Thailand, открыл завод в Чаченгсау (Тайланд). Он основан на принципах 3R: восстановление, повторное использование, переработка.

Ситуация с утилизацией батарей в России

Отечественный рынок электромобилей пока не стал таким массовым, как в США, странах Европы или Китае. Главными барьерами на пути развития электрического транспорта остаются ориентированность промышленности на нефть и газ, а также недостаточное развитие электрической инфраструктуры.

Но инновации постепенно приходят и в РФ. Если в 2014 году было зарегистрировано 140 новых «екарсов», то в 2020 году прибавилось уже 687 авто. Среди новых моделей автомобилей наиболее популярны у россиян Nissan Leaf, Audi e-Tron, Tesla Model 3, Porsche Taycan. Неудивительно, что сейчас правительство России работает над программой развития электротранспорта. Если его продажи станут действительно массовыми, вопрос утилизации АКБ появится и у нас.

В России пока нет отечественных автопроизводителей, запустивших серийное производство легковых электромобилей. Хотя концерн КамАЗ уже близок к этому, а ГАЗ начал продавать первые коммерческие Gazelle e-NN. Поэтому вопрос утилизации отработанных аккумуляторов сейчас не стоит остро. Тем не менее замминистра Минпромторга РФ Виктор Евтухов заявил, что российская промышленность имеет все возможности и достаточное оборудование для переработки литий-ионных аккумуляторов с применением молотковых измельчителей и извлечением полезных компонентов.

Проблемы переработки отработанных аккумуляторов

Хотя электромобили выделяют меньше CO2, батареи все еще сложно перерабатывать. В ближайшем будущем отрасли предстоит активное развитие. Но для повышения эффективности нужно решить ряд проблем:

• Стандартизация продукции. Аккумуляторы в автомобилях с ДВС стандартизированы, а в электромобилях — нет. Поэтому исследователи призывают производителей АКБ учитывать при их разработке процессов переработки и утилизации. Фирмы создают батареи с различной механической и химической сложностью. Важно достигнуть в этом вопросе стандартизации. Так реализация проектов по переработке и вторичному использованию аккумуляторных блоков станет эффективнее. 
• Разработка актуальной нормативно-правовой базы, включающей строгие стандарты охраны здоровья, труда и экологии. На мировом рынке электромобилей национальные стандарты и правовое регулирование в отношении вторичного использования и переработки все еще находятся в процессе обсуждений.

В будущем для сокращения выбросов и популяризации «зеленых» авто потребуется:

• интегрировать электромобили в энергосистемы; 
• декарбонизировать производство электроэнергии; 
• развивать инфраструктуры подзарядки;
• производить экологически чистые аккумуляторы.

Недавно новую разработку показала признанная китайская компания CATL. Натриево-ионные батареи от признанного производителя не содержат дорогого кобальта и более эффективны. Но будет ли их утилизация более экологична — пока неизвестно.

Вместо итогов

Электромобили — давно не будущее, а настоящее автопромышленности. Естественно, каждые новые технологии влекут за собой и новые проблемы. Экологов беспокоит загрязнение климата, которое может вызвать утилизация отслуживших свое аккумуляторных батарей. Сейчас большинство стран Запада пытаются решить грядущую проблему. Причем не просто безопасно уничтожить старые, отслужившие свое аккумуляторы «екарсов», но сделать их сырьем будущего производства или источником энергии для бытовых и коммерческих целей.

Многие автопроизводители изучают возможности повторного использования батарей. Например, Nissan внедряет старые АКБ для уличного освещения в Японии, а аккумуляторные модули гибридов Volvo применяют для хранения солнечных батарей на крыше для питания лифтов и освещения. GM питает свой центр обработки данных в Мичигане, используя отслужившие батареи от Chevrolet Volt.

Хотите знать больше — следите за новостями отрасли на нашем сайте, а также в телеграм-канале.

Аккумуляторы для электромобилей: все, что нужно знать

► Объяснение технологии аккумуляторов электромобилей
► Ваш гид по новейшим аккумуляторам электромобилей
► Емкость, стоимость, опасности, срок службы

Электромобили все больше напоминают автомобили будущего, а это значит, что нам всем придется привыкать к аккумуляторным технологиям. Если вы не отличите свои киловатт от киловатт-часов, сначала это может показаться пугающим, но на самом деле вам не понадобится много времени, чтобы овладеть жаргоном.

В этом полезном руководстве мы объясним, как работают аккумуляторы для электромобилей, на что обращать внимание при покупке электромобиля и как отличить передовые аккумуляторные технологии от того, что уже используется в Betamax и дискетах. свалка истории.

Какие батареи используют электромобили?

В большинстве новых электромобилей, которые продаются сегодня, используется технология аккумуляторов, в основе которой та же самая: сотни отдельных ячеек упакованы в модули карманов, чтобы сделать одну большую батарею.Самые большие из них массивные, несколько метров в длину и весят несколько сотен килограммов; Вот почему большинство из них размещается под полом внутри шасси автомобиля в том, что иногда называют конфигурацией скейтборда.

«Важно различать», — объясняет бывший генеральный директор Tesla, а ныне Lucid Питер Роулинсон. «Маленькие отдельные элементы — это элементы, а готовая единица — это батарея». Они собраны вместе в аккумуляторный блок, который поддерживает оптимальную рабочую температуру независимо от летнего или зимнего климата на улице, как показано на схеме ниже.

Сегодня широко используются два основных типа аккумуляторных батарей для электромобилей:

1. Литий-ионный аккумулятор Используется большинством производителей электромобилей (например, Tesla, Jaguar)
2. Никель-металлогидрид Встречается в гибридах (например, Toyota)

Химический состав, лежащий в основе, ничем не отличается от аккумуляторов в вашем мобильном телефоне. В большинстве современных смартфонов используются литий-ионные аккумуляторы для быстрой циклической зарядки — это то, что вы найдете в мобильных устройствах Apple iPhone или Samsung Galaxy, только что развернутых в гигантских масштабах.

Требования сложны: они должны быть в состоянии накапливать много энергии, но также быстро перезаряжаться и сохранять свою плотность энергии в течение многих тысяч циклов зарядки, все время подвергаясь ударам по дорогам, выбоинам и всем, что бросает великая британская погода. у них …

Электромобили: наш путеводитель по лучшим гибридам, которые продаются сегодня

Non EV — Лучшие автомобильные зарядные устройства

EV — Лучшие автомобильные зарядные устройства

Емкость аккумулятора электромобиля

Чтобы обеспечить энергию, необходимую для приведения в движение автомобиля весом две тонны и более, батареи электромобилей обычно довольно большие.Их энергоемкость обычно измеряется в киловатт-часах (или кВтч), что означает накопление энергии батареей за определенное время. Вы можете думать об этом как о размере топливного бака в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания.

Таким образом, батарея на 100 кВтч в Tesla Model S (см. Выше) способна выдавать максимум 100 киловатт энергии в течение одного часа подряд. Обычное ежедневное вождение потребует значительно меньше энергии, поэтому на самом деле батареи хватит на несколько часов, прежде чем потребуется подзарядка.

Эти электрические изделия могут быть полезны

На сколько хватает батарей в электромобилях?

Если вы подумываете о электромобиле, важно, чтобы вы выбрали автомобиль с емкостью аккумулятора, достаточной для удовлетворения ваших потребностей. Если в большинстве случаев вы едете на короткие дистанции или в школе бегаете по городу, подойдет аккумулятор меньшей емкости.

Появляется новое поколение небольших электромобилей, таких как Honda E, с относительно небольшими аккумуляторами. У Honda есть небольшая батарея на 35 кВтч, которой хватает примерно на 130 миль.Этого должно быть достаточно, если вы живете в городе, но многим понадобится больший запас хода, поэтому Jaguar оснащает свой i-Pace батареей 85 кВт · ч для заявленного диапазона в 292 мили.

АВТОМОБИЛЬ живет с Jaguar i-Pace: наш долгосрочный тест

Это очень просто: чем больший диапазон вам нужен, тем больший аккумулятор вы должны указать — или согласитесь, что вам нужно будет заряжать чаще.

Самые маленькие батареи сегодня имеют мощность около 30 с чем-то кВтч, а самые большие — до 100 кВтч.Что характерно, цена на более крупные батареи значительна. Наш совет: не пугайтесь меньшей емкости, если у вас есть домашняя зарядка и небольшие поездки на работу.

Долговечность, надежность и гарантии

Конечно, продолжительность работы аккумулятора электромобиля — это не только вопрос суточного запаса хода. Некоторые покупатели беспокоятся о том, как долго прослужит сама батарея, но все свидетельства говорят о том, что ваш автомобиль не пострадает от такой катастрофической разрядки аккумулятора, как ваш стареющий мобильный телефон.

В типичной батарее электромобиля так много ячеек, что они сохраняют емкость даже после сотен тысяч миль; хотя они не будут работать так же хорошо, как когда они были свежими и новыми, они будут держать заряд еще много-много лет, а в Интернете полно электромобилей и гибридных автомобилей с большим пробегом, которые все еще хорошо работают в своем безумном состоянии. Ожидаемый срок службы аккумулятора электромобиля составляет не менее десяти лет, и мы советуем вам развалится ваш автомобиль до того, как выйдет из строя аккумулятор.

Мы едем на старом Tesla, который проехал 100000 миль.

Вот почему все новые электромобили, которые продаются сегодня, имеют длительную гарантию, гарантирующую около 70% первоначальной мощности даже после семи или восьми лет использования:

• BMW i3 Восемь лет / 100000 миль
• Hyundai Kona Electric Восемь лет / 100000 миль
• Kia e-Niro Семь лет / 100000 миль
• Jaguar i-Pace Восемь лет / 100000 миль
• Nissan Leaf (внизу) Восемь лет / 100000 миль

Это также причина, по которой остаточная стоимость электромобилей выросла в последние годы, поскольку рынок отслеживает, как стареющий Nissan Leaf первого поколения по-прежнему является отличной покупкой.

Почему аккумуляторы для электромобилей такие дорогие?

В этих огромных батареях содержится много очень дорогих и редких металлов, а это означает, что они стоят больших денег. Это причина того, что электромобили настолько дороги по сравнению с их более традиционными бензиновыми или дизельными аналогами. Этот интенсивно добываемый литий недешев …

К счастью, стоимость аккумуляторов постепенно снижается, даже если мы далеки от того, чтобы электромобили стали такими же дешевыми, как бензиновые эквиваленты. Руководитель отдела исследований и разработок Porsche Майкл Штайнер недавно сказал CAR: «Я не вижу в первой половине этого десятилетия хороших шансов на прорыв в технологии аккумуляторов.Мы увидим постепенное увеличение выгоды от литий-ионных аккумуляторов. Мы прогнозируем улучшение качества литий-ионных аккумуляторов на 2–3% из года в год ».

Твердотельные батареи: может ли это стать тем прорывом, который нам нужен?

Кому принадлежит аккумулятор в электромобиле?

Большинство аккумуляторов сейчас включены в закупочную цену электромобиля, но на заре электромобилей, в нулевые, некоторые производители продавали вам автомобиль, но сдали аккумулятор отдельно.

Renault был одним из брендов, которые сделали это, но сейчас эта система почти повсеместно перестала работать. Это был способ заставить электромобили выглядеть дешевле в момент покупки — но вы были бы привязаны к ежемесячной аренде, оплачивая деньги за аккумулятор, так же, как вы распределяете стоимость своего мобильного телефона или Netflix на многие месяцы в сделке по подписке. .

Это было немного ложной экономией, и ее трудно было объяснить на рынке подержанных автомобилей, когда покупатели не хотели покупать машину, не имея права собственности на аккумулятор.

Опасности и воздействие на окружающую среду

Аккумуляторы для электромобилей проходят тщательные испытания, и производители устанавливают множество систем безопасности, чтобы убедиться в их безопасности. Если вы провели последние несколько лет, путешествуя с легковоспламеняющимся бензином или дизельным топливом, хранящимся в топливном баке, вам действительно не о чем беспокоиться.

Да, присутствует очень высокое напряжение, но пассажиры никогда не будут подвергаться опасным ударам, и в любом случае аккумуляторы обычно защищены от ударов, располагаясь низко посередине автомобиля, чтобы предотвратить их повреждение при ударе. авария, которая могла вызвать пожар.

Воздействие на окружающую среду? Существуют многочисленные исследования, показывающие, что, хотя электромобили и дороже в производстве, на самом деле они лучше для окружающей среды на протяжении всего жизненного цикла. А когда электромобиль подъезжает к концу дороги, эти ценные батареи можно извлечь и использовать для накопления энергии — солнечной или непиковой электросети — для более эффективного питания вашего дома. По мнению многих обозревателей отрасли, умные системы энергоснабжения — следующая важная вещь.

Прочие сведения об электромобиле

Самые быстрые электромобили в продаже сегодня

Грант на подключаемый автомобиль: государственные льготы для электромобилей

Налог на автомобили для электромобилей: зачем сэкономить на пачке

машин переходят на электрические. Что происходит с использованными батареями?

Ханс Эрик Мелин, основатель Circular Energy Storage, консалтинговой компании, специализирующейся на управлении жизненным циклом аккумуляторов, согласен с этим. Время решит множество проблем.По мере того, как умирает все больше батарей, эффект масштаба снижает затраты. Другой важный момент, по словам Мелина, — это размещение производителей аккумуляторов и переработчиков аккумуляторов ближе друг к другу. Он отмечает, что наиболее развитая отрасль по переработке аккумуляторов находится в Китае, где производится 70 процентов литий-ионных аккумуляторов. В Северной Америке и Европе меньше производств и рециклинга. Но некоторые автопроизводители создали собственные программы утилизации, чтобы восстанавливать материалы самостоятельно, в то время как переработчики также думают о производстве аккумуляторов.В сентябре Redwood Materials заявила, что начнет производство катодов для аккумуляторов из восстановленных металлов.

Тем не менее, другие говорят, что некоторые батареи будут «вытекать» из этих систем и не подлежат немедленной переработке. Некоторые электромобили в конечном итоге останутся за границей, как это происходит в настоящее время около 40 процентов автомобилей, работающих на газе. Это обычная судьба, потому что автомобили, признанные непригодными для дорог США, все еще можно отправлять за границу и продавать с большой скидкой. Мелин говорит, что небольшое количество старых электромобилей уже уезжает за границу. В своем исследовании он обнаружил, что старые модели полностью электрического Nissan Leaf легко найти в Украине, где компания продавала их только этим летом.

«Мы должны контролировать эти батареи с истекшим сроком службы. Это не должно быть потоком ужасов ».

Алисса Кендалл, профессор гражданской и экологической инженерии, Калифорнийский университет в Дэвисе

Отправка подержанных автомобилей за границу — важный способ сделать электромобили доступными для более бедных стран, отмечает Мелин. Но возникает вопрос, готовы ли эти места для безопасной и экологически чистой утилизации, когда автомобили умирают. «У нас есть данные о торговле электронными отходами, свидетельствующие о том, что могут быть плохие варианты переработки», — говорит Кендалл, указывая на такие места, как Индия и Юго-Восточная Азия.»Это несчастье».

Ближе к дому другие аккумуляторы для электромобилей могут «просочиться» в темные уголки отечественной автомобильной промышленности, где игроки не имеют денег или желания заниматься утилизацией отходов. Одним из результатов является накопление аккумуляторов в надежде, что затраты на переработку в конечном итоге снизятся или что стоимость аккумуляторов вырастет. «Отчасти это выдавать желаемое за действительное», — говорит Кендалл. Иногда батареи заканчиваются энтузиазмом, но не всегда заботящимися о безопасности. Это может быть полезно, потому что домашние мастера, скорее всего, выжмут больше электронов из использованных батарей, перепрофилировав их для новых приложений, например для хранения энергии в домашних условиях.Но некоторые аккумуляторные блоки разбиты на отдельные ячейки или модули для перепрофилирования, а это значит, что они с большей вероятностью пропадут.

Правительство, вероятно, тоже будет участвовать, как и в случае с депозитной системой для свинцово-кислотных аккумуляторов. В прошлом году Европейский союз предложил правила, обязывающие производителей аккумуляторов и автомобилей заниматься переработкой аккумуляторов, независимо от того, кому они принадлежат в конце срока службы. «Демонтажник может обернуться и сказать:« Я не хочу, чтобы эта вещь стояла у меня во дворе ».Вот возьми, Хонда, Тесла или Тойота », — объясняет Лэтэм из Salvage Wire. Новые стандарты в ЕС также будут диктовать, сколько драгоценных металлов внутри новых батарей нужно будет утилизировать из старых устройств, а не из первичного материала.

Регулирование производства аккумуляторов требует тщательного баланса, — объясняет Мелин. Строгие правила, направленные на максимальную экологичность электромобилей, могут замедлить внедрение электромобилей и привести к сжиганию большего количества ископаемого топлива — гораздо худшая участь для планеты.Особую озабоченность у автопроизводителей вызывает требование с высоким порогом использования переработанных материалов в новых батареях; Этого может быть трудно достичь, особенно в ближайшем будущем, и это может привести к увеличению затрат на аккумулятор.

Миллионы аккумуляторов электромобилей выйдут из эксплуатации в следующем десятилетии. Что происходит с ними? | Окружающая среда

В богатых странах ожидается цунами электромобилей, поскольку автомобильные компании и правительства обещают увеличить их количество — по прогнозам, к 2030 году будет 145 метров дорог.Но хотя электромобили могут сыграть важную роль в сокращении выбросов, они также содержат потенциальную экологическую бомбу замедленного действия: их батареи.

По одной оценке, ожидается, что к 2030 году будет выведено из эксплуатации более 12 миллионов тонн литий-ионных батарей.

Не только эти батареи требуют большого количества сырья, включая литий, никель и кобальт — добыча которых имеет климатические условия. , воздействие на окружающую среду и права человека — они также угрожают оставить гору электронных отходов, когда достигнут конца своей жизни.

По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, по мнению экспертов, настало время спланировать, что произойдет с батареями по окончании их срока службы, чтобы уменьшить зависимость от добычи полезных ископаемых и сохранить материалы в обращении.

Вторая жизнь

Сотни миллионов долларов текут в стартапы и исследовательские центры по переработке отходов, чтобы выяснить, как разобрать разряженные батареи и извлечь ценные металлы в больших масштабах.

Но если мы хотим добиться большего с имеющимися у нас материалами, вторичная переработка не должна быть первым решением, — сказал Джеймс Пеннингтон, возглавляющий программу экономики замкнутого цикла Всемирного экономического форума.«Лучшее, что можно сделать вначале, — это продлить срок эксплуатации оборудования», — сказал он.

«В конце первого использования в электромобилях остается много емкости [батареи]», — сказала Джессика Рихтер, изучающая экологическую политику в Университете Лунда. Эти батареи могут больше не работать на транспортных средствах, но они могут иметь вторую жизнь, накапливая избыточную энергию, генерируемую солнечными или ветряными электростанциями.

Несколько компаний проводят испытания. Энергетическая компания Enel Group использует 90 аккумуляторов, снятых с производства автомобилей Nissan Leaf, в хранилище энергии в Мелилье, Испания, которое изолировано от национальной сети Испании.В Великобритании энергетическая компания Powervault в партнерстве с Renault оснастила бытовые системы накопления энергии устаревшими батареями.

Сотрудник устанавливает литий-ионный аккумулятор в систему тестирования в офисе Powervault в Лондоне. Фотография: Саймон Доусон / Bloomberg через Getty Images

Установление потока литий-ионных батарей от первой жизни в электромобилях до второй жизни в стационарных накопителях энергии даст еще один бонус: вытеснение токсичных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Только около 60% свинцово-кислотных аккумуляторов используются в автомобилях, сказал Ричард Фуллер, возглавляющий некоммерческую организацию Pure Earth, еще 20% используются для хранения избыточной солнечной энергии, особенно в африканских странах.

Свинцово-кислотные батареи обычно служат всего около двух лет в более теплом климате, сказал Фуллер, так как из-за тепла они быстрее разлагаются, а это означает, что их нужно часто перерабатывать. Однако в Африке есть несколько предприятий, которые могут безопасно это сделать.

Вместо этого эти батареи часто треснуты и плавятся на заднем дворе. Процесс подвергает переработчиков и их окружение воздействию свинца, мощного нейротоксина, безопасный уровень которого неизвестен и который может повредить развитию мозга у детей.

Литий-ионные батареи могут стать менее токсичной и более долговечной альтернативой для хранения энергии, сказал Фуллер.

Гонка за переработку

«Когда батарея действительно исчерпала свой ресурс, пора утилизировать ее», — сказал Пеннингтон.

Утилизация литий-ионных аккумуляторов имеет большой импульс. В своем отчете о воздействии, опубликованном в августе, Tesla объявила, что начала строительство мощностей по переработке отработанных аккумуляторов на своей фабрике Gigafactory в Неваде.

Nearby Redwood Materials, основанная бывшим техническим директором Tesla Дж. Б. Штраубелем, которая работает в Карсон-Сити, штат Невада, в июле привлекла более 700 млн долларов и планирует расширить свою деятельность. Завод принимает разряженные батареи, извлекает ценные материалы, такие как медь и кобальт, а затем отправляет очищенные металлы обратно в цепочку поставок аккумуляторов.

Тем не менее, поскольку вторичная переработка становится все более распространенной, остаются серьезные технические проблемы.

Один из них — это сложные конструкции, которые необходимо использовать переработчикам, чтобы добраться до ценных компонентов.«Литий-ионные батареи редко разрабатываются с учетом возможности вторичной переработки», — сказал Карлтон Камминз, соучредитель Aceleron, британского стартапа по производству аккумуляторов. «Вот почему перерабатывающая компания борется. Они хотят выполнять свою работу, но они знакомятся с продуктом только тогда, когда он достигает их двери ».

Cummins и соучредитель Амрит Чандан устранили один недостаток конструкции: способ соединения компонентов. По словам Камминс, большинство компонентов свариваются друг с другом, что хорошо для электрического соединения, но плохо для вторичной переработки.

Батареи Aceleron соединяют компоненты с помощью зажимов, которые сжимают металлические контакты вместе. Эти соединения можно разжать и снять крепеж, что позволяет полностью разобрать или удалить и заменить отдельные неисправные компоненты.

Более простая разборка также может помочь снизить риски для безопасности. Неправильное обращение с литий-ионными батареями может привести к возгоранию и взрыву. «Если мы разобьем его на части, я гарантирую, что это никому не повредит», — сказал Камминс.

Изменение системы

Успех не гарантируется, даже если технические проблемы будут решены. История показывает, насколько сложно может быть создание хорошо функционирующих предприятий по переработке вторсырья.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, например, часто подвергаются вторичной переработке, отчасти из-за требований законодательства — до 99% свинца, содержащегося в автомобильных аккумуляторах, перерабатывается. Но они имеют токсичную стоимость, когда попадают на неподходящие предприятия по переработке. Отработанные батареи часто попадают в переработчики на заднем дворе , потому что они могут заплатить за них больше, чем официальные переработчики, которым приходится покрывать более высокие эксплуатационные расходы.

Литий-ионные аккумуляторы могут быть менее токсичными, но их все равно придется сдавать на предприятиях, где их можно безопасно переработать. «Продукция имеет тенденцию течь по пути наименьшего сопротивления, поэтому вы должны сделать путь, который проходит по формальным каналам, менее устойчивым», — сказал Пеннингтон.

Законодательство может помочь. В то время как США еще не внедрили федеральную политику, предписывающую утилизацию литий-ионных аккумуляторов, ЕС и Китай уже требуют, чтобы производители аккумуляторов платили за установку систем сбора и переработки.Эти средства могут помочь субсидировать официальных переработчиков, чтобы повысить их конкурентоспособность, сказал Пеннингтон.

В декабре прошлого года ЕС также предложил радикальные изменения в правилах использования батарей, большая часть которых касается литий-ионных батарей. К ним относятся целевые уровни 70% для сбора аккумуляторов, 95% восстановления для кобальта, меди, свинца и никеля и 70% для лития, а также обязательные минимальные уровни переработанного содержимого в новых аккумуляторах к 2030 году — для обеспечения наличия рынков для переработчиков. и защитите их от неустойчивых цен на сырьевые товары или изменения химического состава батарей.

«Они еще не в окончательной форме, но существующие предложения амбициозны», — сказал Рихтер.

Данные тоже могут помочь. ЕС и Global Battery Alliance (GBA), государственно-частное сотрудничество, работают над версиями цифрового «паспорта» — электронной записи для батареи, которая будет содержать информацию обо всем ее жизненном цикле.

«Мы думаем о QR-коде или устройстве обнаружения [радиочастотной идентификации]», — говорит Торстен Фройнд, возглавляющий инициативу GBA по паспорту батарей.Он может сообщать о состоянии и оставшейся емкости аккумулятора, помогая производителям транспортных средств направлять его для повторного использования или на предприятия по переработке. Данные о материалах могут помочь переработчикам ориентироваться в бесчисленном количестве химикатов литий-ионных батарей. А когда переработка станет более распространенной, в паспорте также будет указано количество переработанного содержимого в новых батареях.

По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, настало время заняться этими проблемами, сказала Майя Бен Дрор, ведущий специалист по городской мобильности на Всемирном экономическом форуме.Деньги, вливаемые в сектор, предлагают «возможность гарантировать, что эти инвестиции будут вкладываться в устойчивые новые экосистемы, а не только в новый тип автомобилей», — сказала она.

Также стоит отметить, что экологичный транспорт выходит за рамки электромобилей, — сказал Рихтер. По ее словам, нельзя упускать из виду пешие прогулки, езду на велосипеде или общественный транспорт. «Важно помнить, что у нас может быть устойчивый продукт в неустойчивой системе».

Что такое твердотельный аккумулятор для электромобиля?

Твердотельный аккумулятор — это перезаряжаемая система хранения энергии, аналогичная по общей структуре и принципу действия более знакомой литий-ионной батарее.Они отличаются тем, что литий-ионный аккумулятор содержит жидкий электролит, а твердотельный аккумулятор — как следует из названия — имеет твердотельный. Это позволяет твердотельным батареям быть легче, иметь большую плотность энергии, обеспечивать больший радиус действия и быстрее заряжаться. Задача сделать твердотельные батареи жизнеспособными — это разработка технологии, обычно используемой в небольших устройствах, и ее применение в крупномасштабных приложениях, таких как электромобили.

Какой тип аккумулятора используется в электромобиле?

Первым серийным электромобилем стал EV1, выпущенный General Motors в 1996 году.Специально созданный электромобиль с нуля, 2-местное купе имело запас хода 78 миль, разгонялся до 50 миль в час за 6,3 секунды и требовал более 5 часов для полной зарядки. Его питал свинцово-кислотный аккумулятор.

Когда всего три года спустя было выпущено второе поколение EV1, его источник питания переключился на никель-металлогидридный аккумулятор, и запас хода увеличился почти вдвое до 142 миль.

В тот момент, когда производство EV1 постепенно прекращалось, Tesla Motors вошла в автомобильную сферу со своим Tesla Roadster, первым серийным электромобилем с аккумуляторной батареей, в котором использовались литий-ионные батареи.Как говорится, остальное уже история.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Литий-ионные батареи стали стандартом для питания многих устройств, от бытовой электроники, такой как мобильные телефоны и ноутбуки, до мобильных и транспортных средств, таких как велосипеды и автомобили.

В отличие от свинцово-кислотных и никель-металлогидридных батарей прошлого, литий-ионные батареи сконструированы с жидким электролитом для управления потоком энергии между катодом и анодом.Преимущества литий-ионной батареи включают более длительный срок службы батареи, лучшую производительность при различных температурах, пригодные для повторного использования компоненты и более высокую плотность энергии. Плотность энергии — это количество энергии, которое батарея может хранить на единицу веса. Проще говоря, чем выше плотность, тем выше выходная мощность.

Несмотря на множество преимуществ, у литий-ионных аккумуляторов есть недостатки. Несмотря на то, что он легче, чем старые аккумуляторные батареи, его жидкие внутренние части все же делают ионы лития довольно тяжелыми. Они также лучше работают в штабелируемых упаковках, что увеличивает их вес.Кроме того, электролиты легко воспламеняются, могут быть нестабильными при экстремальных температурах и при повреждении или неправильном заряде могут привести к взрывам или пожарам. Нет недостатка в новостях, охватывающих все, от мобильных телефонов до самолетов, которые загорелись из-за проблем с аккумулятором.

Что такое твердотельный аккумулятор и как он работает?

Благодаря устранению всплескивающего горючего жидкого электролита твердотельные батареи по умолчанию становятся более стабильными и компактными. Твердый электролит может состоять из любого количества повседневных материалов, таких как керамика и стекло.

Твердотельные батареи уже много лет используются в небольших устройствах, таких как кардиостимуляторы, а также в устройствах RFID и носимых устройствах. Меньшее количество кусочков означает, что меньше вещей может пойти не так. В дополнение к повышенной безопасности, размеру и стабильности твердотельные батареи в электромобилях также будут предлагать более быстрое время зарядки, больший диапазон перемещения и даже большую плотность энергии.

Твердотельные аккумуляторы могут быть заряжены до 80 процентов за 15 минут и меньше нагружаются после нескольких циклов зарядки.Литий-ионный аккумулятор начнет разряжаться и терять емкость после 1000 циклов. С другой стороны, твердотельный аккумулятор сохранит 90 процентов своей емкости после 5000 циклов.

Когда в электромобилях будут использоваться твердотельные батареи?

Несмотря на все преимущества, расширение производства до уровня, необходимого для использования в электромобилях, остается дорогостоящим мероприятием. Помните, что твердотельные батареи славятся умными часами и регулятором сердцебиения.

Затраты на разработку и производственные трудности являются ключевыми недостатками при производстве твердотельных батарей для массовых электромобилей.Но так же, как литий-ионные батареи стали более доступными, идея состоит в том, что и твердотельная версия тоже станет такой же. А автопроизводители вкладывают огромные средства в эту технологию, особенно с учетом стратегии бренда с нулевым уровнем выбросов и линейки продуктов только для электромобилей.

BMW и Ford инвестируют 130 миллионов долларов в Solid Power, стартап по производству твердотельных батарей в Колорадо. Hyundai вкладывает 100 миллионов долларов в SolidEnergy Systems, дочернюю компанию Массачусетского технологического института.Toyota, которая сотрудничает с Panasonic, объявила, что в этом году дебютирует прототип внедорожника с твердотельной батареей. Также инвестируют General Motors и Volkswagen.

Краткое описание

Audi, Bentley, Dodge, Jaguar, Jeep, Land Rover, Lotus, Mazda, MINI, Nissan, Volvo — практически все автопроизводители от A до V обнародовали свои планы электрификации и целевые сроки нулевых выбросов. Некоторые пошли еще дальше и объявили, что бензиновые и дизельные двигатели выйдут из своих модификаций к 2050 году.

Но электромобили должны быть прибыльными для автопроизводителей, доступными для потребителей и полностью заменять автомобили, оснащенные двигателем внутреннего сгорания (ДВС), за фунт за фунт. Тем не менее, даже с большим количеством вариантов электромобилей, чем когда-либо, автомобили с бензиновым двигателем продолжают доминировать на рынке. В конце концов, ископаемое топливо дешево, выбор транспортных средств по-прежнему велик, а дозаправка занимает считанные минуты.

Тем не менее, привлекательность твердотельных батарей не вызывает сомнений, и их потенциал может заставить автопроизводителей сдержать свои производственные обещания.Электромобили уже соответствуют или превосходят своих коллег с ДВС в конструкторском отделе. Избавьтесь от беспокойства по поводу дальности действия, обеспечьте паритет цен и предложите привлекательную производительность, и, возможно, потребители искренне купятся в будущем, когда будут полностью электромобили.

Прибывают

миллионов электромобилей. Что происходит со всеми дохлыми батареями? | Наука

Аккумулятор Tesla Model S — это произведение сложной инженерной мысли.Тысячи цилиндрических ячеек с компонентами, полученными со всего мира, преобразуют литий и электроны в энергию, достаточную для того, чтобы автомобиль мог снова и снова преодолевать сотни километров без выбросов из выхлопной трубы. Но когда срок службы батареи подходит к концу, ее экологические преимущества исчезают. Если он попадает на свалку, его клетки могут выделять проблемные токсины, в том числе тяжелые металлы. А переработка батареи может быть опасным делом, предупреждает материаловед Дана Томпсон из Университета Лестера.Если врезаться слишком глубоко в ячейку Тесла или в неправильном месте, она может вызвать короткое замыкание, возгорание и выделение токсичных паров.

Это лишь одна из многих проблем, с которыми сталкиваются исследователи, включая Томпсона, которые пытаются решить возникающую проблему: как утилизировать миллионы аккумуляторов электромобилей (EV), которые производители планируют производить в течение следующих нескольких десятилетий. Современные аккумуляторы электромобилей «на самом деле не предназначены для вторичной переработки», — говорит Томпсон, научный сотрудник Института Фарадея, исследовательского центра, занимающегося проблемами аккумуляторов в Соединенном Королевстве.

Это не было большой проблемой, когда электромобили были редкостью. Но сейчас технологии набирают обороты. Некоторые автопроизводители заявили, что планируют постепенно отказаться от двигателей внутреннего сгорания в течение нескольких десятилетий, и отраслевые аналитики прогнозируют, что к 2030 году на дорогах появится не менее 145 миллионов электромобилей по сравнению с 11 миллионами в прошлом году. «Люди начинают понимать, что это проблема», — говорит Томпсон.

Правительства постепенно начинают требовать некоторого уровня переработки. В 2018 году Китай ввел новые правила, направленные на поощрение повторного использования компонентов аккумуляторных батарей электромобилей.Ожидается, что Европейский Союз завершит свои первые требования в этом году. В Соединенных Штатах федеральное правительство еще не выдвинуло требований по утилизации, но несколько штатов, в том числе Калифорния, крупнейший автомобильный рынок страны, изучают возможность установления своих собственных правил.

Соблюдение требований будет непросто. Батареи сильно различаются по химическому составу и конструкции, что затрудняет создание эффективных систем утилизации. Клетки часто скрепляются прочным клеем, что затрудняет их разборку.Это привело к возникновению экономических препятствий: производителям аккумуляторов зачастую дешевле покупать только что добытые металлы, чем использовать переработанные материалы.

Материаловед Дана Томпсон разрабатывает растворители для извлечения ценных металлов из отработанных автомобильных аккумуляторов.

Институт Фарадея

Более совершенные методы переработки не только предотвратят загрязнение, отмечают исследователи, но также помогут правительствам повысить свою экономическую и национальную безопасность за счет увеличения поставок основных металлов в аккумуляторных батареях, которые контролируются одной или несколькими странами.«С одной стороны, [утилизация аккумуляторов электромобилей] — это проблема управления отходами. А с другой стороны, это возможность для создания устойчивого вторичного потока критически важных материалов», — говорит Гэвин Харпер, исследователь из Бирмингемского университета, изучающий электромобили. вопросы политики.

Чтобы ускорить переработку отходов, правительства и промышленность вкладывают деньги в целый ряд исследовательских инициатив. Министерство энергетики США (DOE) вложило около 15 миллионов долларов в центр ReCell для координации исследований ученых из академических кругов, промышленности и государственных лабораторий.Соединенное Королевство поддержало проект ReLiB, объединяющий несколько организаций. По словам Линды Гейнс, которая занимается переработкой аккумуляторов в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, по мере роста индустрии электромобилей потребность в прогрессе становится насущной. «Чем раньше мы сможем все сдвинуть с мертвой точки, — говорит она, — тем лучше».

Аккумуляторы

EV сконструированы как матрешки. Обычно основной пакет содержит несколько модулей, каждый из которых состоит из множества ячеек меньшего размера (см. Рисунок ниже). Внутри каждой ячейки атомы лития перемещаются через электролит между графитовым анодом и катодным листом, состоящим из оксида металла.Батареи обычно определяются металлами в катоде. Существует три основных типа: никель-кобальт-алюминий, фосфат железа и никель-марганец-кобальт.

В настоящее время переработчики в первую очередь нацелены на металлы в катоде, такие как кобальт и никель, которые стоят дорого. (Литий и графит слишком дешевы для переработки, чтобы быть экономичным.) Но из-за малых количеств металлы подобны иголкам в стоге сена: их трудно найти и восстановить.

Новая жизнь для отработанных ячеек

Ученые работают над тем, чтобы аккумуляторы для электромобилей, которые продаются сегодня, можно было переработать в 2030 году и в последующий период, когда каждый день у тысяч аккумуляторов будет истекать срок службы.Батареи электромобилей бывают разных конструкций, но, как правило, они имеют общие компоненты. C. Bickel / Science

Чтобы извлечь эти иглы, переработчики используют два метода, известных как пирометаллургия и гидрометаллургия. Более распространенной является пирометаллургия, при которой переработчики сначала механически измельчают элемент, а затем сжигают его, оставляя обугленную массу из пластика, металлов и клея. На этом этапе они могут использовать несколько методов для извлечения металлов, включая дальнейшее сжигание. «Pyromet, по сути, обращается с батареей как с рудой» прямо из шахты, — говорит Гейнс.Гидрометаллургия, напротив, включает погружение аккумуляторных материалов в лужи с кислотой, в результате чего получается насыщенный металлами суп. Иногда два метода сочетаются.

У каждого есть свои преимущества и недостатки. Пирометаллургия, например, не требует, чтобы переработчик знал конструкцию или состав батареи, или даже то, полностью ли она разряжена, чтобы двигаться вперед безопасно. Но это энергоемко. Гидрометаллургия позволяет извлекать материалы, которые нелегко получить путем сжигания, но при этом могут использоваться химические вещества, представляющие опасность для здоровья.А извлечение желаемых элементов из химического супа может быть трудным, хотя исследователи экспериментируют с соединениями, которые обещают растворять определенные металлы батарей, но оставляют другие в твердой форме, что облегчает их восстановление. Например, Томпсон определил одного кандидата, смесь кислот и оснований, называемую глубоким эвтектическим растворителем, которая растворяет все, кроме никеля.

Оба процесса производят большие объемы отходов и выделяют парниковые газы, как показали исследования. И бизнес-модель может быть шаткой: большинство операций зависит от продажи рекуперированного кобальта, чтобы оставаться в бизнесе, но производители аккумуляторов пытаются отказаться от этого относительно дорогого металла.Если это произойдет, переработчики могут остаться пытаться продавать груды «грязи», — говорит материаловед Ребекка Сиз из Университета Пердью.

Круги вторсырья

Пирометаллургия превращает отработанные батареи в шлак, а гидрометаллургия растворяет их в кислотах. Оба нацелены на извлечение катодных материалов. Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катод восстанавливается в неповрежденном виде. Но для того, чтобы переработка была жизнеспособной, она должна быть конкурентоспособной по стоимости с добытыми материалами. C. Bickel / Science

Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катодная смесь останется нетронутой.Это привлекательно для производителей аккумуляторов, потому что переработанные катоды не потребуют тяжелой обработки, отмечает Гейнс (хотя производителям, возможно, все равно придется оживлять катоды, добавляя небольшое количество лития). «Так что, если вы думаете об экономике замкнутого цикла, [прямая переработка] — это меньший круг, чем пиромет или гидромет».

При прямой переработке рабочие сначала собирают электролит пылесосом и измельчают аккумуляторные элементы. Затем они удаляли связующие с помощью тепла или растворителей и использовали технику флотации для разделения материалов анода и катода.В этом случае материал катода напоминает детскую присыпку.

До сих пор эксперименты по прямой переработке были сосредоточены только на отдельных элементах и ​​дали всего десятки граммов катодного порошка. Но исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии США построили экономические модели, показывающие, что этот метод, если его масштабировать при правильных условиях, может быть жизнеспособным в будущем.

Однако, чтобы реализовать прямую переработку, производители аккумуляторов, переработчики и исследователи должны решить множество проблем.Один из них — убедиться, что производители маркируют свои батареи, чтобы переработчики знали, с какими элементами они имеют дело, и имеют ли катодные металлы какую-либо ценность. Гейнс отмечает, что с учетом быстро меняющегося рынка аккумуляторов катоды, производимые сегодня, могут не найти будущего покупателя. Переработчики будут «возвращать динозавра. Никому не нужен продукт».

Техник из Германии проверяет разрядку сгоревшей литий-ионной батареи перед дальнейшей переработкой.

Вольфганг Раттай / Reuters

Еще одна проблема — это эффективное вскрытие открытых батарей электромобилей.Для демонтажа прямоугольного аккумуляторного отсека Nissan Leaf может потребоваться 2 часа. Ячейки Тесла уникальны не только своей цилиндрической формой, но и практически неразрушимым полиуретановым цементом, который удерживает их вместе.

Исследователи отмечают, что инженеры

могли бы создавать роботов, которые могли бы ускорить разборку батареи, но прилипчивые проблемы остаются даже после того, как вы попадете внутрь ячейки. Это связано с тем, что для удержания анодов, катодов и других компонентов на месте используется больше клея. Один из растворителей, который используют рециклеры для растворения катодных связующих, настолько токсичен, что Европейский Союз ввел ограничения на его использование, а U.Агентство S. по охране окружающей среды определило в прошлом году, что это представляет «необоснованный риск» для рабочих.

«С точки зрения экономики, вам нужно разобрать… [и] если вы хотите разобрать, то вам нужно избавиться от клея», — говорит Эндрю Эбботт, химик из Университета Лестера и советник Томпсона.

Чтобы упростить процесс, Томпсон и другие исследователи призывают производителей электромобилей и аккумуляторов разрабатывать свои продукты с учетом вторичной переработки. По словам Эбботта, идеальная батарея была бы похожа на рождественский взломщик U.K. праздничный подарок, который открывается, когда получатель тянет за каждый конец, показывая конфету или сообщение. В качестве примера он приводит Blade Battery, литий-феррофосфатный аккумулятор, выпущенный в прошлом году китайским производителем электромобилей BYD. В его упаковке нет модульного компонента, вместо этого плоские ячейки хранятся непосредственно внутри. Ячейки легко снимаются вручную, без проблем с проволокой и клеем.

Blade Battery появилась после того, как в 2018 году Китай стал возлагать на производителей электромобилей ответственность за утилизацию аккумуляторов.В настоящее время в стране перерабатывается больше литий-ионных батарей, чем во всем остальном мире вместе взятых, в основном с использованием пиро- и гидрометаллургических методов.

Страны, переходящие к аналогичной политике, сталкиваются с рядом острых вопросов. Во-первых, говорит Томпсон, кто должен нести основную ответственность за переработку. «Это моя ответственность, потому что я купил [электромобиль], или это ответственность производителя, потому что они его сделали и продают?»

В Европейском Союзе один ответ может появиться позже в этом году, когда официальные лица опубликуют первое правило континента.Ожидается, что в следующем году группа экспертов, созданная штатом Калифорния, вынесет рекомендации, которые могут иметь большое влияние на любую политику США.

Между тем исследователи

Recycling говорят, что эффективная переработка аккумуляторов потребует большего, чем просто технический прогресс. Высокая стоимость перевозки горючих предметов на большие расстояния или через границу может препятствовать переработке отходов. В результате размещение центров переработки в правильных местах может иметь «огромное влияние», — говорит Харпер.«Но возникнет настоящая проблема в системной интеграции и объединении всех этих различных фрагментов исследований».

Нельзя терять время зря, говорит Эбботт. «Чего вы не хотите, так это производства батареи за 10 лет, которую невозможно разобрать», — говорит он. «Этого еще не произошло, но люди кричат ​​и опасаются, что это произойдет».

Твердотельные батареи ускоряют электромобили, повышают энергопотребление

Мы живем в новую эру космических полетов: национальные космические агентства больше не единственная игра в городе, и космос становится более доступным.Ракеты, построенные коммерческими игроками, такими как Blue Origin выводит на орбиту частных лиц. Тем не менее, Blue Origin, SpaceX и Virgin Galactic поддерживаются миллиардерами с огромными ресурсами, и все они выразили намерение продавать полеты на сотни тысяч и миллионы долларов. У Copenhagen Suborbitals совсем другое видение. Мы считаем, что космические полеты должны быть доступны для всех, кто хочет потратить время и силы.

Copenhagen Suborbitals была основана в 2008 году инженером-самоучкой и космическим архитектором, ранее работавшим в НАСА.С самого начала миссия была ясна: полет с экипажем в космос. Оба основателя покинули организацию в 2014 году, но к тому времени у проекта было около 50 волонтеров и большой импульс.

Группа взяла за основу принцип, что проблемы, связанные с дешевым созданием пилотируемого космического корабля, — это все инженерные проблемы, которые могут быть решены, по одной за раз, прилежной командой умных и преданных своему делу людей. Когда люди спрашивают меня, почему мы это делаем, я иногда отвечаю: «Потому что мы можем.»

Добровольцы используют баллон с аргоном [слева], чтобы заполнить трубу, в которой элементы двигателя сплавлены вместе. Команда недавно изготовила топливный бак для ракеты Spica [справа] в своей мастерской.

Наша цель — достичь линии Кармана, которая определяет границу между атмосферой Земли и космическим пространством, на высоте 100 километров над уровнем моря. Космонавт, достигший такой высоты, после выключения двигателей получит несколько минут тишины и невесомости и насладится захватывающим видом.Но это будет нелегкая поездка. Во время спуска капсула будет испытывать внешнюю температуру 400 ° C и g с силой 3,5, поскольку она несется по воздуху со скоростью до 3500 километров в час.

Я присоединился к группе в 2011 году, после того, как организация уже переехала из производственного помещения на списанном пароме в ангар недалеко от набережной Копенгагена. Ранее в том же году я наблюдал за первым запуском Copenhagen Suborbital, в котором ракета HEAT-1X взлетела с мобильной стартовой платформы в Балтийском море, но, к сожалению, совершила аварийную посадку в океане, когда большинство ее парашютов не раскрылось.Я принес в организацию некоторые базовые знания о спортивных парашютах, полученные за годы прыжков с парашютом, которые, как я надеялся, превратятся в полезные навыки.

Следующая веха для команды наступила в 2013 году, когда мы успешно запустили ракету Sapphire, нашу первую ракету с системами наведения и навигации. Его навигационный компьютер использовал 3-осевой акселерометр и 3-осевой гироскоп, чтобы отслеживать его местоположение, а его система управления тягой удерживала ракету на правильной траектории, перемещая четыре установленных на сервоприводе медных реактивных лопасти, которые были вставлены в выхлопную трубу. сборка.

Мы считаем, что космические полеты должны быть доступны всем, кто хочет потратить время и силы.

Ракеты HEAT-1X и Sapphire были заправлены комбинацией твердого полиуретана и жидкого кислорода. Мы стремились разработать двухкомпонентный ракетный двигатель, который смешивал бы жидкий этанол и жидкий кислород, потому что такие жидкостные двигатели одновременно эффективны и мощны. Ракета HEAT-2X, запуск которой запланирован на конец 2014 года, должна была продемонстрировать эту технологию.К сожалению, его двигатель загорелся буквально во время статических испытаний за несколько недель до запланированного запуска. Этот тест должен был быть контролируемым 90-секундным прожигом; вместо этого из-за ошибки сварки большая часть этанола хлынула в камеру сгорания всего за несколько секунд, что привело к сильному пожару. Я стоял в нескольких сотнях метров и даже с такого расстояния чувствовал жар на лице.

Двигатель ракеты HEAT-2X был выведен из строя, и миссия была отменена.Хотя это было большим разочарованием, мы извлекли ценные уроки. До этого мы основывали наши проекты на наших существующих возможностях — инструментах в нашей мастерской и людях, участвующих в проекте. Провал заставил нас сделать шаг назад и подумать, какие новые технологии и навыки нам необходимо освоить, чтобы достичь нашей конечной цели. Это переосмысление привело нас к разработке относительно небольших ракет Nexø I и Nexø II для демонстрации ключевых технологий, таких как парашютная система, двухкомпонентный двигатель и узел регулирования давления для резервуаров.

Для запуска Nexø II в августе 2018 года наша стартовая площадка находилась в 30 км к востоку от Борнхольма, самого восточного острова Дании, в части Балтийского моря, используемой датским флотом для военных учений. Мы покинули гавань Борнхольма Нексё в час ночи, чтобы добраться до обозначенного участка океана как раз к запуску в 9 часов утра, время, утвержденное шведской службой управления воздушным движением. (Пока наши лодки находились в международных водах, Швеция осуществляет надзор за воздушным пространством над этой частью Балтийского моря.) Многие из наших членов экипажа весь предыдущий день провели испытания различных систем ракеты и не спали перед запуском.Мы пили кофе.

Когда Nexø II взлетел, аккуратно отделившись от стартовой башни, мы все обрадовались. Ракета продолжала двигаться по траектории, сбрасывая носовой обтекатель, когда достигла апогея в 6500 метров, и все это время отправляла телеметрические данные обратно на наш корабль управления полетами. Когда он начал снижаться, он сначала развернул свой баллют, похожий на воздушный шар парашют, используемый для стабилизации космического корабля на больших высотах, а затем развернул свой главный парашют, который мягко опустил его к океанским волнам.

В 2018 году ракета Nexø II успешно стартовала [слева] и благополучно вернулась в Балтийское море [справа].

Запуск на шаг приблизил нас к освоению логистики запуска и посадки в море. Для этого запуска мы также проверяли нашу способность предсказывать траекторию полета ракеты. Я создал модель, которая оценила приводнение в 4,2 км к востоку от стартовой платформы; фактически он приземлился в 4,0 км к востоку. Эта управляемая посадка на воду — наша первая под полностью надутым парашютом — была для нас важным подтверждением концепции, поскольку мягкая посадка является абсолютным императивом для любой миссии с экипажем.

В апреле этого года команда провела статические испытания двигателя на своих новых топливных форсунках. Карстен Олсен

Двигатель Nexø II, который мы назвали BPM5, был одним из немногих компонентов, которые мы полностью не обработали в нашей мастерской; датская компания производила самые сложные детали двигателя. Но когда эти детали прибыли в нашу мастерскую незадолго до даты запуска, мы поняли, что выхлопное сопло немного деформировано. У нас не было времени заказать новую деталь, поэтому один из наших добровольцев, Якоб Ларсен, использовал кувалду, чтобы придать ей форму.Двигатель выглядел некрасиво — мы прозвали его Franken-Engine — но работал. С момента полета Nexø II мы более 30 раз запускали этот двигатель в испытаниях, иногда выходя за рамки проектных ограничений, но мы еще не заглушили его.

15-минутная поездка астронавта Spica к звездам станет результатом более чем двух десятилетий работы.

Эта миссия также продемонстрировала нашу новую систему регулирования динамического давления (DPR), которая помогла нам контролировать поток топлива в камеру сгорания.В Nexø I использовалась более простая система, называемая продувкой под давлением, в которой топливные баки на одну треть были заполнены сжатым газом для подачи жидкого топлива в камеру. В DPR резервуары заполнены топливом до отказа и соединены набором регулирующих клапанов с отдельным резервуаром газообразного гелия под высоким давлением. Эта установка позволяет нам регулировать количество газообразного гелия, поступающего в баки, чтобы протолкнуть топливо в камеру сгорания, что позволяет нам программировать разное количество тяги в разных точках во время полета ракеты.

Миссия Nexø II в 2018 году доказала, что наш дизайн и технологии в основе своей являются надежными. Пришло время начать работу над оценкой людей Ракета Spica.

Copenhagen Suborbitals надеется отправить астронавта в воздух на своей ракете Spica примерно через десять лет. Каспар Стэнли

Ракета Spica с капсулой экипажа будет иметь высоту 13 метров и полную стартовую массу 4000 кг, из которых 2600 кг будет топливом.Это будет со значительным отрывом самая большая ракета, когда-либо построенная любителями.

Ракета Spica будет использовать двигатель BPM100, который команда в настоящее время производит. Томас Педерсен

Его двигатель, 100 кН BPM100 использует технологии, которые мы освоили для BPM5, с некоторыми улучшениями. Как и в предыдущей конструкции, в нем используется регенеративное охлаждение, при котором часть топлива проходит через каналы вокруг камеры сгорания, чтобы ограничить температуру двигателя.Чтобы протолкнуть топливо в камеру, он использует комбинацию простого метода сброса давления на первом этапе полета и системы DPR, которая дает нам более точный контроль над тягой ракеты. Детали двигателя будут изготовлены из нержавеющей стали, и мы надеемся сделать большинство из них самостоятельно из листового проката. Самая сложная часть — секция «горловины» с двойным изгибом, которая соединяет камеру сгорания с выхлопным соплом, требует обрабатывающего оборудования с компьютерным управлением, которого у нас нет. К счастью, у нас есть хорошие контакты в отрасли, которые могут нам помочь.

Одним из основных изменений стал переход от топливной форсунки Nexø II в стиле душевой лейки к топливной форсунке с коаксиальным вихрем. В форсунке для душа было около 200 очень маленьких топливных каналов. Его было сложно изготовить, потому что если что-то пошло не так, когда мы делали один из этих каналов — скажем, сверло застревает — мы должны были выбросить все это целиком. В инжекторе с коаксиальным вихревым движением жидкое топливо поступает в камеру в виде двух вращающихся жидких слоев, и когда листы сталкиваются, они распыляются, чтобы создать топливо, которое воспламеняется.В нашем вихревом инжекторе используется около 150 завихрителей, которые собраны в одну конструкцию. Эта модульная конструкция должна быть проще в изготовлении и тестировании для обеспечения качества.

Двигатель BPM100 заменит старую топливную форсунку типа «душевая лейка» [справа] на коаксиально-вихревую форсунку [слева], которую будет проще производить. Томас Педерсен

В апреле этого года мы провели статические испытания форсунок нескольких типов. Сначала мы провели испытание хорошо изученного инжектора для душевой лейки, чтобы установить базовый уровень, затем протестировали латунные вихревые форсунки, изготовленные традиционным фрезерованием, а также стальные вихревые форсунки, изготовленные с помощью 3D-печати.В целом мы остались довольны работой обоих вихревых форсунок, и мы все еще анализируем данные, чтобы определить, какая из них работает лучше. Тем не менее, мы видели некоторые нестабильность горения, а именно некоторые колебания пламени между форсункой и горловиной двигателя, потенциально опасное явление. У нас есть хорошее представление о причине этих колебаний, и мы уверены, что несколько изменений дизайна могут решить эту проблему.

Доброволец Якоб Ларсен держит латунную топливную форсунку, которая хорошо зарекомендовала себя во время испытаний двигателя в 2021 году. Карстен Олсен

Вскоре мы приступим к созданию полномасштабного двигателя BPM100, который в конечном итоге будет включать новую систему наведения для ракеты. У наших предыдущих ракет внутри выхлопных сопел двигателей были металлические лопатки, которые мы перемещали, чтобы изменить угол тяги. Но эти лопатки создавали лобовое сопротивление в выхлопном потоке и снижали эффективную тягу примерно на 10 процентов. В новом дизайне есть карданы, которые поворачивают весь двигатель вперед и назад для управления вектором тяги.В качестве дополнительной поддержки нашей уверенности в том, что сложные инженерные проблемы могут быть решены умными и преданными своему делу людьми, наша система карданного подвеса была разработана и протестирована 21-летним студентом из Нидерландов по имени Джоп Нийенхуис, который использовал конструкцию карданного подвеса в качестве своей диссертации. проект (за который получил высшую оценку).

Мы используем те же компьютеры наведения, навигации и управления (GNC), которые мы использовали в ракетах Nexø. Одна из новых проблем — это капсула экипажа; как только капсула отделится от ракеты, нам придется управлять каждой частью самостоятельно, чтобы вернуть их обе на Землю в желаемой ориентации.Когда происходит разделение, компьютерам GNC для двух компонентов необходимо будет понять, что параметры оптимального полета изменились. Но с точки зрения программного обеспечения это незначительная проблема по сравнению с теми, которые мы уже решили.

Бьянка Диана работает на дроне, который она использует для тестирования новой системы наведения для ракеты Spica. Карстен Олсен

Моя специальность — парашютный дизайн. Я работал над баллютом, который надувается на высоте 70 км, чтобы замедлить пилотируемую капсулу во время высокоскоростного начального спуска, и основных парашютах, которые надуваются, когда капсула находится на высоте 4 км над уровнем океана.Мы протестировали оба типа, заставив парашютистов выпрыгивать из самолетов с парашютами, последний раз в прыжке с парашютом. Тест баллута 2019 года. Пандемия вынудила нас приостановить испытания парашютов, но вскоре мы должны возобновить их.

Для парашюта, который будет разворачиваться от ракеты-носителя Spica, команда провела испытания небольшого прототипа ленточного парашюта. Мэдс Стенфатт

Что касается тормозного парашюта, который будет разворачиваться от ракеты-носителя, мой первый прототип был основан на конструкции под названием Supersonic X, которая представляет собой парашют, который чем-то похож на летающий лук, и его очень легко сделать.Однако я неохотно перешел на ленточные парашюты, которые были более тщательно протестированы в условиях высоких нагрузок и оказались более устойчивыми и надежными. Я говорю «неохотно», потому что знал, сколько работы потребуется, чтобы собрать такое устройство. Сначала я сделал парашют диаметром 1,24 метра, у которого было 27 лент, проходящих через 12 панелей, каждая из которых прикреплена в трех местах. Итак, на этом маленьком прототипе мне пришлось сшить 972 соединения. Полноценная версия будет иметь 7920 точек подключения. Я пытаюсь непредвзято относиться к этой проблеме, но я также не буду возражать, если дальнейшие испытания покажут, что дизайн Supersonic X достаточен для наших целей.

Мы протестировали две капсулы экипажа в прошлых миссиях: Tycho Brahe в 2011 году и Tycho Deep Space в 2012 году. Капсула экипажа Spica следующего поколения не будет просторной, но достаточно большой, чтобы вместить одинокий космонавт, который будет сидеть в течение 15 минут полета (и двух часов предполетных проверок). Первый космический корабль, который мы строим, представляет собой тяжелую стальную «шаблонную» капсулу, базовый прототип, который мы используем для разработки практической схемы и конструкции.Мы также будем использовать эту модель для проверки конструкции люка, общей устойчивости к давлению и вакууму, а также аэродинамики и гидродинамики формы, поскольку мы хотим, чтобы капсула упала в море с минимальным ударом для космонавта внутри. Как только мы будем довольны стандартным дизайном, мы сделаем облегченную летную версию.

Copenhagen Suborbitals в настоящее время имеет трех кандидатов в космонавты для своего первого полета: слева направо, Мэдс Стенфатт, Анна Олсен и Карстен Олсен. Мэдс Стенфатт

Три члена команды Copenhagen Suborbitals в настоящее время являются кандидатами на пост астронавтов в нашей первой миссии с экипажем — я, Карстен Олсен и его дочь Анна Олсен. Все мы понимаем и принимаем риски, связанные с полетом в космос на самодельной ракете. В наших повседневных операциях мы, кандидаты в космонавты, не получаем никакого специального лечения или подготовки. Наша единственная дополнительная обязанность до сих пор заключалась в том, чтобы сидеть в кресле экипажа и проверять ее размеры.Поскольку до нашего первого полета с экипажем еще десять лет, список кандидатов вполне может измениться. Что касается меня, я считаю, что просто участвовать в миссии и помогать строить ракету, которая доставит первого астронавта-любителя в космос, заслуживает большой славы. Стану я этим космонавтом или нет, я всегда буду гордиться нашими достижениями.

Астронавт отправится в космос внутри небольшой капсулы экипажа на ракете Spica. Космонавт останется сидеть в течение 15-минутного полета (и для 2-часовой полетной проверки ранее). Карстен Брандт

Люди могут задаться вопросом, как мы проживаем скудный бюджет, составляющий около 100 000 долларов в год, особенно когда они узнают, что половина нашего дохода идет на оплату аренды нашей мастерской. Мы сокращаем расходы, покупая как можно больше стандартных готовых деталей, а когда нам нужны нестандартные конструкции, нам повезло работать с компаниями, которые предоставляют нам щедрые скидки для поддержки нашего проекта. Мы запускаем из международных вод, поэтому нам не нужно платить за пусковую площадку.Когда мы едем на Борнхольм для запуска катеров, каждый волонтер оплачивает свою работу, и мы остаемся в спортивном клубе недалеко от гавани, спим на циновках на полу и принимаем душ в раздевалках. Иногда я шучу, что наш бюджет составляет примерно одну десятую того, что НАСА тратит на кофе. Тем не менее, этого вполне может быть достаточно для выполнения работы.

Мы планировали впервые запустить Spica летом 2021 года, но наш график был отложен из-за пандемии COVID-19, из-за которой наш семинар был закрыт на много месяцев.Теперь мы надеемся на испытательный запуск летом 2022 года, когда условия на Балтийском море будут относительно спокойными. Для этого предварительного испытания Spica мы заполним топливные баки лишь частично и будем стремиться отправить ракету на высоту от 30 до 50 км.

Если этот полет будет успешным, в следующем испытании Spica увезет больше топлива и взлетит выше. Если рейс 2022 года не состоится, мы выясним, что пошло не так, устраним проблемы и попробуем еще раз. Примечательно думать, что возможная 15-минутная поездка астронавта Spica к звездам станет результатом более чем двух десятилетий работы.Но мы знаем свои Сторонники отсчитывают время до исторического дня, когда астронавт-любитель заберется на борт самодельной ракеты и помашет Земле на прощание, готовый совершить гигантский скачок в самодельном стиле.

Эта статья появится в декабрьском выпуске 2021 года под заголовком «Первый астронавт, финансируемый за счет средств краудфандинга».

Парашютист, который шьет

HENRIK JORDAHN

Мэдс Стенфатт сначала связался с Copenhagen Suborbitals с конструктивной критикой.В 2011 году, просматривая фотографии последнего запуска ракеты, сделанной самодельными ракетчиками, он заметил камеру, установленную рядом с парашютным аппаратом. Стенфатт отправил электронное письмо с подробным описанием своей обеспокоенности, а именно, что стропы парашюта могут легко запутаться вокруг камеры. «По сути, я получил ответ:« Если у тебя получится лучше, присоединяйся к нам и сделай это сам », — вспоминает он. Так он стал волонтером единственной в мире программы космических полетов с экипажем, финансируемой за счет краудфандинга.

Как парашютист-любитель, Стенфатт знал основы механики упаковки и развертывания парашюта.Он начал помогать Copenhagen Suborbitals в разработке и упаковке парашютов, а несколько лет спустя он также взял на себя работу по пошиву парашютов. Раньше он никогда не пользовался швейной машиной, но быстро учился по ночам и по выходным за своим обеденным столом.

Одним из его любимых проектов была разработка высотного парашюта для ракеты Nexø II, запущенная в 2018 году. Работая над прототипом и ломая голову над дизайном воздухозаборников, он обнаружил, что просматривает датский швейный сайт. на компонентах бюстгальтера.Он решил использовать косточки бюстгальтера, чтобы сделать воздухозаборники более жесткими и держать их открытыми, что сработало довольно хорошо. Хотя в конечном итоге он пошел в другом направлении дизайна, этот эпизод является классическим примером духа Copenhagen Suborbitals: собирайте вдохновение и ресурсы, где бы вы их ни находили, чтобы выполнить свою работу.

Сегодня Стенфатт является ведущим конструктором парашютов, частым представителем и кандидатом в космонавты. В свободное время он также продолжает прыгать с парашютом, совершив сотни прыжков на своем счету.Имея достаточный опыт масштабирования по небу, ему очень любопытно, каково было бы двигаться в другом направлении.

Статьи с вашего сайта

Статьи по теме в Интернете

Аккумуляторы для электромобилей | Все, что вам нужно знать

Отчет Международного энергетического агентства (МЭА), опубликованный в 2018 году, показывает, что углеродный след транспорта составляет около 30% глобальных выбросов парниковых газов (GGE). Во всем мире вводятся все более строгие правила по выбросам транспортных средств. Европейский Союз (ЕС) взял на себя обязательство сократить выбросы парниковых газов на 60% по сравнению с уровнями 1990 года к 2050 году, и переход к устойчивой мобильности и электрификации транспорта становится все более актуальным.

СТРЕЛА И ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

Электромобили не выделяют загрязняющих газов и необходимы для декарбонизированного будущего. Это проявляется в постепенном увеличении продаж: в 2019 году было продано 2,2 миллиона электромобилей, что на 10% больше, чем в 2018 году, , так что теперь каждый 40 проданных автомобилей может быть подключен к электросети.Из них 74% — это электромобили, работающие только от батарей (BEV), а остальные 26% — это гибридные электромобили (PHEV).

Все согласны с тем, что будущее транспорта будет за электричеством. Однако, по мнению экспертов, остаются без ответа два вопроса, а именно: , когда продажи электромобилей обгонят продажи автомобилей внутреннего сгорания и какой тип аккумуляторов будет предлагать наилучшие характеристики? Согласно годовому отчету Bloomberg New Energy Finance (BNEF) по электромобилям, ожидается, что в течение следующего десятилетия продажи будут продолжать расти.Стоимость покупки электромобиля также становится более доступной. Действительно, по данным Bloomberg, к 2022 году электромобили будут дешевле, чем эквивалентные версии с бензиновым двигателем.

Одним из важных аспектов революции в области электромобильности стало падение цен на литий-ионные батареи, которые доминировали на рынке в последние годы. По данным BNEF, цена этого типа батареи упала с 1100 долларов за киловатт-час (кВтч) в 2010 году до 156 долларов в 2019 году (-87%) и, как ожидается, упадет до 100 долларов к 2024 году.

Глобальный рост рынка электромобилей.

СМОТРЕТЬ ИНФОРМАЦИЮ: Глобальный рост рынка электромобилей [PDF]

Помимо защиты окружающей среды, электромобили имеют и другие преимущества по сравнению с автомобилями внутреннего сгорания, что делает их чрезвычайно привлекательными для покупателей:

Меньше поломок

Без традиционный двигатель, коробка передач или сцепление, неисправности этого типа значительно сокращаются.

Простое обслуживание

С более простой механикой, чем у автомобилей внутреннего сгорания, обслуживание проще.

Меньшее потребление

При подзарядке в гараже на ночь проезд на 100 километров (км) стоит от пятидесяти центов до одного евро, что намного экономичнее, чем у традиционного автомобиля.

Меньше ограничений

Загрязнение вынудило правительства ввести строгие условия в отношении транспортных средств в центрах городов. Это не относится к электромобилям, которые могут свободно передвигаться.

Налоговые льготы

Во многих странах электромобили пользуются льготным режимом по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, например без регистрационного сбора, без дорожного налога и т. Д.

ЧТО ТАКОЕ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ И КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Аккумулятор электромобиля — это аккумулятор энергии, в котором хранится электричество для передачи в двигатель переменного или постоянного тока. Однако его важность намного больше, чем это. Аккумулятор — это то, что делает эти автомобили устойчивыми и избавляет их от зависимости от ископаемого топлива. Батареи находятся в центре внимания покупателей: запас хода автомобиля — расстояние, которое автомобиль может проехать, прежде чем потребуется зарядка, — время зарядки и цена.

За последнее десятилетие мир аккумуляторных батарей пережил беспрецедентную революцию. В результате средний ассортимент электромобилей значительно увеличился, устраняя так называемое беспокойство о запасе хода — страх покупателей застрять на обочине дороги из-за ограниченного пробега — что сдерживало продажи. Тем не менее, запас хода — не единственная область аккумуляторов, в которой был достигнут прогресс: время зарядки также было улучшено — с быстрой зарядкой всего за десять минут — что повысило их эффективность и срок службы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Аккумуляторы для электромобилей имеют несколько особенностей. К основным из них относятся:

Плотность

Количество энергии, которое батарея может хранить в зависимости от ее веса. Чем больше плотность, тем больше емкость для хранения и больше пробег автомобиля. Выражается в Втч / кг (ватт-часы на килограмм).

Напряжение

Мощность, которую батарея может выдать на килограмм веса батареи, поэтому выражается в Вт / кг (ватт на кг).Чем больше мощность, тем выше характеристики автомобиля.

КПД

Производительность аккумулятора, то есть процент энергии, которую он способен отдать, по отношению к энергии, вводимой в процесс зарядки.

Life Cycle

Количество раз, которое аккумулятор может быть заряжен и разряжен перед заменой, поскольку он теряет емкость. Чем больше циклов у батареи, тем дольше она прослужит.

Скорость зарядки

Время зарядки.Существует три типа зарядки, время которой зависит от модели автомобиля: быстрая (10-40 минут), быстрая (1,5-3 часа) и медленная (5-8).

КАК ПРОДЛИТЬ СРОК СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ

Согласно исследованию, проведенному Geotab в 2019 году, электромобилей теряют в среднем 2,3% своего пробега ежегодно. Вот основные шаги по уходу за аккумулятором электромобиля:

• Избегайте полной зарядки и разрядки аккумулятора, как в мобильных телефонах и портативных компьютерах.
• Заряжайте свой автомобиль с помощью интеллектуальных зарядных устройств и, по возможности, медленного зарядного устройства — быстрая зарядка сокращает срок службы аккумулятора на 1% при частом использовании -.
• Электромобили лучше всего подходят для городских условий. Разгоняйтесь плавно и не паркуйтесь на солнце, чтобы не сработала система терморегулирования.
• Тормозная система помогает заряжать аккумулятор, поэтому чем больше вы используете тормоза, тем больший запас хода он имеет.

ПОСЛЕДНИЕ БАТАРЕИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Аккумуляторы постоянно совершенствуются.Недавно швейцарский стартап Innolith AG объявил о разработке более плотной батареи без увеличения веса или размера, способной накапливать больше энергии и увеличивать дальность действия до 1000 км. Секрет: литиевые батареи с негорючими электролитами. Группа исследователей из Мельбурнского университета объявила о разработке литиево-серной батареи с таким же диапазоном.

Твердотельные батареи на основе электролитов также могут занимать лидирующие позиции в секторе , потому что они дешевле, легче и меньше, увеличивают плотность энергии и не нуждаются в системах безопасности для предотвращения нагрева.Другие источники указывают на то, что батареи с кремниевыми анодами могут хранить до десяти раз больше энергии, чем литиевые, а анодные материалы на основе графена могут увеличивать емкость батареи и резко сокращать время зарядки с удельной энергией и сроком службы в два раза больше, чем у литиевых.