Из чего делают аккумуляторы для электромобилей: Гонка за созданием лучшие батареи для электромобиля

Содержание

Гонка за созданием лучшие батареи для электромобиля

Ученый из UCL (Университетский колледж Лондона) Дан Бретт занимается передовыми технологиями электромобилестрояния. Для него не так интересен внешний вид электрокара, как то, что находится внутри него - литий-ионная батарея. 

Электрические транспортные средства, такие как Tesla, зависят от батарей. Обычные автопроизводители, переводящие свои производственные линии с двигателей внутреннего сгорания на электрические трансмиссии, используют литий-ионную технологию благодаря ее доступности. 

Будущее аккумуляторов 

МЭА предсказывает новый стремительный рост производства аккумуляторов, вызванного бурным ростом индустрии электромобилей, который к 2030 году должен достичь 125 миллионов автомобилей во всем мире.

Бретт утверждает, что такие батареи не являются идеальными для всех легковых и грузовых автомобилей. «Для автомобилей небольшого размера - они дают нормальный запас хода . .. но если вы используете грузовой автомобиль, я думаю, что эта батарея подведет вас», - говорит он. 


Хотя литий-ионные батареи будут играть важную роль в будущем автомобильной промышленности, проблемы с небольшим запасом хода, безопасностью и долговечностью означают, что ученые вынуждены искать альтернативный аккумулятор для электромобилей будущего. 

В сентябре Институт Фарадея, финансируемый правительством Великобритании исследовательский центр в Харвелле, объявил о выделении 55 миллионов фунтов стерлингов на проекты в области аккумуляторных батарей в попытке создать технологию, которая может лечь в основу нового электромобиля. Инвестиции направлены в консорциум пяти университетов в Шеффилде, Бате, Оксфорде, Лондоне и Сент-Эндрюсе. 

«Мы работаем над всем, от материалов и химии до производства», - говорит Нил Моррис, исполнительный директор Института Фарадея. «Я уверен, что мы сможем сделать прорывы, которые снизят стоимость и улучшат производительность батарей».

В UCL, где Бретт возглавляет инновационные разработки, проводится тестирование множества аккумуляторов. Одним из новых фаворитов являются твердотельные батареи. Эта технология включает замену жидкой ключевой части батареи, известной как электролит, на твердое вещество. 


В литий-ионных батареях жидкий раствор лития используется в качестве электролита, но использование жидкости увеличивает риск воспламенения. Заменив его твердым материалом, таким как керамика или стекло, можно избежать пожара, в то время как аккумулятор заряжается быстрее. 

Эта технология привлекла внимание такой компании, как Dyson, которая, несмотря на отказ от своего проекта электромобиля, продолжит вкладывать не менее 1 млрд фунтов стерлингов в исследования твердотельных  аккумуляторов в своем кампусе в Малмсбери. 

У твердотельных батарей существуют нерешенные проблемы. Еще не найден подходящий проводник, который может эффективно заменить жидкий электролит. «Твердотельная батарея действительно безопасна, но она и действительно дорога, поэтому, вероятно, она не появится но рынке в течение некоторого времени», - говорит Бретт.

 

Но не все упирается в твердотельную батарею. Университеты, такие как UCL, также рассматривают другие технологии, такие как натриевые и литий-серные батареи. Натриевые батареи представляют особый интерес для исследователей, так как изобилие натрия по сравнению с литием во всем мире означает, что батареи потенциально могут быть дешевле. 

 По словам профессора Пола Шеринга из химико-технологического отдела Калифорнийского университета, концентрация металла в таких местах, как Южная Америка, может привести к дефициту лития, но доступность натрия означает, что существует решение проблемы с истощением ресурсов. 

Вивас Кумар из компании Benchmark Mineral Intelligence говорит, что автомобилестроительные компании исследуют аккумуляторные технологии, которые могут иметь серьезные преимущества. 

Кобальт, основной элемент современных батарей, является дорогим металлом, который часто поставляется из опасных шахт в Демократической Республике Конго. 


Уменьшение количества кобальта в аккумуляторах с никелем может дать тройную выгоду: экономическая эффективность, повышение плотности энергии, уход от проблем с добычей кобальта.

 

«Причина проста: когда у вас катод с более высоким содержанием никеля, плотность энергии выше. Большая плотность энергии имеет значение, потому что с одним и тем же аккумулятором вы можете ездить дольше»,  - говорит Кумар.

Однако путь к промышленному производству многих из этих технологий может быть долгим. Например коммерциализация литий-ионных аккумуляторов происходила в течение длительного периода времени, которую возглавили японские фирмы Panasonic и Asahi Kasei. 

«Литий-ионный аккумулятор является фантастической технологией, которая достигла повсеместного применения, но потребовалось некоторое время, чтобы она закрепилась», - говорит Ширинг. 

Некоторых компании имеют проблемы на этапе коммерциализации новых технологий. Компания FTSE 100 Джонсона Матти сделала крупнейшие инвестиции в разработку «усиленного литий-никелевого оксида» - или eLNO - материала, используемого для изготовления аккумуляторного катода. Это основной ограничивающий фактор в работе батареи.


Исполнительный директор Роберт Маклеод говорит, что хоть катод лишь малая часть аккумулятора, но она составляет 40% его стоимости. Поскольку на долю аккумуляторов приходится четверть стоимости электромобиля, становится очевидным, что, если у Джонсона Мэтти все выйдет - победит его технология. 

Дополнительной проблемой, стоящей перед новой аккумуляторной технологией, является разработка гигафабрики. Общие производственные мощности литий-ионных аккумуляторов должны достичь 1211 ГВт*ч к 2025 году.

Быстрое увеличение емкости уже привело к падению цен на литий-ионные аккумуляторы на 85% в период между 2010 и 2018 годами, что означает, что покупатели аккумуляторов могут посчитать более удобным с экономической точки зрения выбор литий-ионных аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами других производителей. 

В конечном счете, такие исследователи, как Ширинг, полагают, что спрос на новые типы батарей будет создаваться разнообразным использованием батарей в автомобильной промышленности.

 опубликовано econet.ru по материалам telegraph.co.uk

Подписывайтесь на наш youtube канал!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

Аккумуляторные батареи в электромобиле – емкость, зарядка, потенциал (дальность хода)

Емкость,  потенциал (дальность хода), зарядка, аккумуляторных батарей .

Ниже мы приведем более подробное объяснение.

Емкость.

Емкость электрических аккумуляторных батарей для авто измеряется в киловатт – часах (кВтч - kWh), так же как и электричество в вашем доме (обычным счетчиком).  Именно эти киловатт – часы для электромобиля  практически тоже самое что литры бензина для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.  К сожалению полную (полностью заряженную) аккумуляторную батарею нельзя сравнить с полным баком топлива. Как говорит специалист Dan Edmunds из компании Edmunds.com «Емкость батарей это что то потенциальное, то что вы никогда не сможете использоваться полностью».   Для того что бы сохранить эффективность работы батареи и продлить ее жизнь, системы отвечающие за подзарядку батареи никогда не дают заряжаться ей на 100 процентов, как и не позволяют ей полностью разряжаться.  Более полезный параметры используемая емкость аккумулятора.

«Используемая емкость аккумулятора обычно не заявляется производителем» объясняет  Edmunds. «Часто разница в используемой емкости очень велика.  Стабильность работы системы контроля за зарядкой аккумуляторов в современных электромобилей очень важна. Зачастую можно сказать что ваш автомобиль будет работать лишь на 60-70 процентах заявленной емкости  ваших аккумуляторных батарей.»

Не стоит слишком полагать на заявленную емкость к примеру автомобиля Nissan Leaf в котором установлены литий-ионные (Li-ion) батареи емкостью 24 kWh или Tesla Roadster's с емкостью батарей 54  kWh. Вы никогда не сможете использовать полную потенциальную емкость этих батарей. Данные показатели емкости могут дать возможность покупателю определить потенциал автомобиля, то есть вам не надо знать точной цифры используемой емкости, вы можете ориентироваться лишь на порядок цифр.

Чем больше заявленная емкость аккумуляторных батарей автомобиля, тем больше его потенциал.

Зарядка.

Зарядка обычно сводится к двум одинаково важным факторам: время и деньги. Время зарядки электромобиля напрямую зависит от  того насколько большой емкости ваши батареи и насколько большим напряжением вы можете их заряжать. Стоимость самое электроэнергии очень часто зависит от того в какое время вы заряжаете автомобиле и собственно где вы производите зарядку.

В Европе и Америке электромобили в основном заряжают дома, от сети электропитания с напряжение 120 Вольт (соединительный кабель для такой сети обычно поставляется вместе с автомобилем).  К сожалению процесс зарядки от такой сети может затянуться до 20 часов до полной зарядки от сети 120 Вольт.

Конечно же обладатель электромобиля куда более был бы рад розетке сети электропитания с напряжением 240 Вольт, которая естественно зарядила бы батареи куда быстрее (зарубежом такую розетку потребители могут заказать отдельно у поставщика электроэнергии, установка обойдется потребителю примерно в 2000 долларов – у нас  же  240 Вольт является стандартом сети электропитания).

Nissan Leaf's – по технической документации зарядится всего за 7 часов от сети питания с напряжением 240 Вольт.

Зачастую автомобили заряжают в ночное время суток. Если в вашем регионе стоимость электричества ниже ночью это очень выгодный метод экономить. К примеру 2011 Chevrolet Volt оснащен специальным программируемым таймером зарядки, на котором вы можете выставить время начала и окончания зарядки.

К сожалению не стоит забывать о том что сам процесс зарядки несет в себе дополнительные скрытые затраты. В процессе зарядки часть энергий уходит на нагрев аккумуляторных батарей, в свою очередь охлаждающие системы автомобиля работают во время зарядки и тоже потребляют энергию   из сети электропитания, за счет этих факторов эффективность процесса зарядки падает и соответственно тратится больше электричества.

К примеру вы зарядили свой автомобиля и зафиксировали цифру в 12 кВтч на своем счетчике, к сожалению только 10 Квтч потенциальной энергии накопили ваши аккумуляторные батареи.

Потери при зарядке в 15-20 процентов довольно типичны для большинства электромобилей.

Многие производители не указывают явно на потери электроэнергии при зарядке вашего электромобиля, зато их четко фиксируют ваши счетчики и это все включается в ваши счета электроэнергии.

Потенциал – дальность хода.

Дальность хода один из важнейших вопросов который тревожит  покупателей электромобилей. Спровоцировано это тем что дальность хода электромобилей сильно отличается от дальности хода обычных автомобилей. Nissan заявляет что Leaf's может проехать 100 миль, по заявлению Environmental Protection Agency's машина сможет проехать всего лишь 73 мили. Tesla заявляет что их Roadster может пройти 245 миль, что для электромобиля ОЧЕНЬ много.

Аккумуляторные батареи очень чувствительны к температуре (от температуры зависит их эффективность и потенциал). Именно поэтому производители сначала запустили в продажу автомобили в местах с умеренным климатом (там где не очень жарко и не очень холодно).   Естественно что быстрая езда и быстрые ускорения разряжают батарею намного быстрее. Так же резкие торможения не позволяют автомобилю использовать систему регенерации энергии при торможении, которая при плавном торможении возвращает часть энергии в аккумуляторы (заряжая их).

Именно поэтому  если производитель заявляет что машина может пройти на полной зарядке 100 миль, она может проехать всего 60 или наоборот проехать все 130 миль при разных типах вождения.

К сожалению на электромобиле вы вряд ли сможете ездить с горящей красным цветом лампочкой об отсутствии топлива, так как вы это делали на обычных автомобилях. Основная проблема в данном случае будет в том, что единственное место где вы сможете зарядить свой электромобиль это будет ваш гараж и если вы до него не доедете вам придется идти пешком.  Именно поэтому сейчас очень много спорят о пороге предупреждения о разряде аккумуляторных батарей.

На данный момент понятия емкости, зарядки и потенциала (дальности хода) новы для потребителя, однако скорее всего это связано с тем что электромобили пока новинка на наших рынках. Вполне возможно в ближайшем времени мы свыкнемся с новыми стандартами  новых автомобилей и с новыми правилами передвижения.
 

АКБ для электромобилей: будущее создаётся сегодня

Samsung SDI


Производство АКБ EV 3,5 ГВт•ч
Рост продаж АКБ EV в 2019 г. +3%
Производство и продажи в 27 странах
Производственные комплексы в 13 странах


Samsung SDI Co., Ltd. входит в группу компаний Samsung Group и специализируется на производстве поляризационных пластин для жидкокристаллических панелей, полупроводниковых материалов, дисплейных панелей, но 50% производства приходится на аккумуляторы, в том числе для электромобилей.
Батареи Samsung SDI для электромобилей BMW, Volvo и Volkswagen выпускаются в Южной Корее, Китае и Венгрии. Значимость производства АКБ для Samsung растёт, так, по итогам 2019 года чистые убытки Samsung SDI составили 28,1 млн долларов, чистая прибыль Samsung SDI была на 46% меньше, чем годом ранее (339,6 млн долларов).
При этом только аккумуляторный бизнес Samsung SDI продемонстрировал положительную динамику и именно благодаря росту продаж АКБ для электромобилей. Продажи аккумуляторов от Samsung SDI выросли на 76,7%, в 2020 году ожидается рост продаж ещё на 66%. На 2021 год Samsung SDI планирует экспансию в Европе и уже начала расширение своего завода по производству литий-ионных элементов в Венгрии.

Modern Amperex Technology Co Ltd (CATL)


Производство АКБ EV 4,6 ГВт•ч
Рост продаж АКБ EV в 2019 г. +26%
50% китайского рынка АКБ EV
Потенциальная мощность производства 1 млн АКБ


Китайский производитель CATL один из признанных лидеров рынка батарей для электромобилей, сотрудничающий с концернами BMW, Volkswagen, Daimler, Volvo, Toyota и Honda. Сильные позиции на этом рынке компания заняла, пользуясь поддержкой китайского правительства, которая прекратится в текущем году, и это может внести коррективы в структуру игроков рынка АКБ для электромобилей.
В Германии CATL планирует построить крупнейший завод по производству аккумуляторов для электромобилей, но этот план может не реализоваться, так как уже вызвал сопротивление европейских политиков, которые опасаются усиления китайского влияния на европейскую промышленность.
В прошлом году Amperex Technology Co Ltd (CATL) начал серийное производство аккумуляторов NCM 811, с высоким содержанием никеля, которые имеют более длительный срок службы и позволяют электромобилям двигаться без подзарядки дольше.

Panasonic Corporation


Производство АКБ EV 15 ГВт•ч
Рост продаж АКБ EV в 2019 г. +23%
Продажи АКБ EV3 млрд долл.
Убытки на Gigafactory Tesla$200 млн


Panasonic Corporation мировой машиностроительный гигант, один из лидеров в производстве литий-ионных аккумуляторов, эксклюзивный поставщик Tesla.
В создание завода Tesla по производству АКБ Gigafactory в Неваде Panasonic инвестировал 1,6 миллиарда долларов.
Батареями Panasonic оснащаются электромобили Tesla Model S, Model X и Model 3. Но сейчас Tesla ищет других партнёров для этого проекта, так как Panasonic не доволен отдачей от вложений.
Производство АКБ для электромобилей Panasonic функционирует в Японии и Китае.
С января 2019 года реализуется совместный проект компании Toyota и Panasonic по производству батарей для электрокаров Lexus, Subaru, Daihatsu и Mazda.
Старт производства намечен на апрель 2020 года.
Но основное направление развития — АКБ для электромобилей Toyota, которых планируется выпустить 1 млн ед. к 2030 году.

BYD Co Ltd


Производство АКБ EV 8 ГВт•ч
План производства 6 ГВт•ч в 2020 г.
Возможности производства 570000 АКБ EV


BYD — китайский автоконцерн и один из крупнейших производителей АКБ для электромобилей, в основном собственного производства. BYD расширяет производство АКБ для электрокаров, реализуя строительство завода в Чунцине.
Завод рассчитан на обеспечение аккумуляторами машин, которые будут выпускаться на заводе по выпуску электромобилей, который BYD строит в Чанчжоу.
Сейчас BYD конкурирует с Tesla по показателям производства электромобилей и именно в производство BYD инвестирует значительные средства сам Уоррен Баффет.
Здесь планируется выпускать 400 тыс. электромобилей в год. Столько же BYD планирует выпускать в Сиане и ещё 300 тыс. в Чанша. BYD также рассматривает возможности строительства заводов по производству АКБ для электромобилей в США, Великобритании и Германии.

LG Chem


Производство АКБ EV 6 ГВт•ч
План производства 11 ГВт•ч в 2020 г.
Объём продаж автокомпонентов
LG Chem $1,1 млрд
31 производственное предприятие в мире


LG Chem крупнейшая химическая компания Южной Кореи, которая входит в чеболь (клановую корпорацию) LG Group. Производство литий-ионных аккумуляторов началось в 1999 году. Батареи LG Chem поставляются для Ford Focus, Renault ZOE. Предприятие также сотрудничает с Hyundai Motor, Tesla, Volkswagen и Volvo.
LG Chem и GM связывает длительное сотрудничество, АКБ поставляются для гибридных моделей GM Chevrolet Volt и Opel Ampera. Сотрудничество привело в конце-концов к созданию совместного предприятия, о котором было объявлено в конце прошлого года. В рамках СП планируется построить завод по производству батарей для электромобилей в Лордстауне (штат Огайо).
В 2019 году было объявлено о переходе Tesla на аккумуляторы LG Chem для Model 3 и Model Y на заводе Gigafactory 3 в Шанхае. Ранее АКБ LG Chem поставлялись на модели Tesla Roadster. Кроме того, Volvo Car Group подписала соглашения с производителями аккумуляторов CATL и LG Chem по поставкам литий-ионных батарей для нового поколения автомобилей Volvo и Polestar.

Automotive Energy Supply Corp. (Envision AESC, Япония)


Производство АКБ EV 7,5 ГВт•ч
План производства 20 ГВт•ч в год
Объём поставок на Nissan
430000 АКБ EV за 9 лет
20% мирового рынка АКБ EV


AESC — СП Nissan, NEC и NEC Energy Devices, крупный производитель аккумуляторных батарей для электромобилей. Сначала компания поставляла АКБ для погрузчиков, затем для гибридомобилей и электромобилей Nissan.
В 2016 году Nissan продал 51% долю в AESC компаниям не из Японии, чтобы расширить географию поставок и, по замыслу Карлоса Гона, «отвязаться» от Nissan, как единственного стратегического поставщика АКБ для электрокаров.
После долгих сложных поисков партнёров, в 2018 году Nissan объявил, что продаёт производство компании Envision Group, сохранив за собой 25% долю. В 2019 года AESC объявила о планах строительства аккумуляторного завода мощностью 20 ГВт•ч в Китае, в Уси (пров. Цзянсу). В планах компании увеличить выпуск АКБ для электромобилей в три раза. Стратегическая цель компании — за счёт наращивания объёмов производства сократить стоимость батареи до 50 долл. к 2025 году, что произвело бы революцию не только в индустрии электромобилей, но и на авторынке в целом.

SK Innovation


Производство АКБ EV 7,5 ГВт•ч
План производства 10 ГВт•ч в 2025 г.
Потенциальная мощность АКБ EV 3 млн ед.
Рост поставок SK АКБ EV в 2019 г. +150%


SK Group — южнокорейский чеболь, второй по мощности после Samsung и один из крупнейших поставщиков АКБ для электромобилей, с обширными экспансионистскими планами в этом направлении.
SK Innovation хочет расширить производство в Венгрии, планируя строительство второго завода в 2021 году. Здесь компания намеревается производить АКБ следующего поколения. Объём инвестиций в предприятие достиг 688 млн евро. Этот завод должен помочь SK Innovation серьёзно закрепится на европейском рынке перед бумом электромобилей.
SK Innovation также строит второй завод АКБ в США, в штате Джорджия, рассчитанный на производство АКБ в количестве, достаточном для оснащения 200 тыс. электромобилей. Объём инвестиций в предприятие составит 1,67 млрд долл.
Также SK Innovation будет поставлять АКБ для электромобилей, которые планирует выпускать в 2022 году Volkswagen в Теннесси.

Guoxuan High-tech Co., Ltd.


Производство АКБ EV 7,5 ГВт•ч
План производства 18 ГВт•ч в 2025 г.
Производство NiCoMn(NCM) батарей
2 ГВт•ч
Объём продаж АКБ EV $6 млрд


Guoxuan High-tech — крупный разработчик и поставщик литий-ионных аккумуляторных батарей для авторынка, один из лидеров производства АКБ в Китае. При этом предприятие планирует увеличить объёмы производства втрое в 2021 году.
Особые планы Guoxuan High-Tech связывает со сделкой с Volkswagen. Немецкий автогигант планирует производить в Китае более 1,5 миллиона новых электромобилей в год к 2025 году, для этого VW нужны дополнительные мощности по производству АКБ.
Поэтому Volkswagen AG намеревается выкупить 20% акций Guoxuan High-tech Co Ltd. примерно за 560 миллионов долларов. В этом случае автопроизводитель будет иметь больше возможностей влиять на цену аккумуляторов, что может определить исход грядущей конкурентной битвы между Volkswagen и Tesla.

Johnson Matthey Battery Systems


Производство АКБ EV 2 ГВт•ч
Объем продаж $18 млрд долл.
1 млрд долл. до 2022 г. объём инвестиций в АКБ EV
200 ед. количество грузовиков
Cummins с АКБ Johnson Matthey


Johnson Matthey Battery Systems, принадлежащий сейчас Cummins Inc., один из немногих значимых производителей АКБ для электромобилей без участия китайского капитала. Штаб-квартира компании размещается в Шотландии, основная деятельность развивается в Польше и Англии.
Компания специализируется на производстве высокоэффективных АКБ, разрабатывала и внедряла литий-ионные АКБ для McLaren Automotive, Jaguar Land Rover, Rolls-Royce Motor Cars.
В 2018 году Cummins Inc. Объявила о приобретении Johnson Matthey, для обеспечения своих интересов в индустрии производства электромобилей. При поддержке Cummins Johnson, Matthey намеревается развивать свою новую технологическую платформу eLNO батарей для коммерческих электромобилей.
В направлении электромобилей Cummins Inc. имеет большие планы, аккумуляторы разрабатываются в США, Англии, Китае, Индии. К настоящему времени Cummins Inc. разработала уже 8 почтовых экологичных автомобилей для США и готовит к серийному выпуску электробус Gillig.

Батареи для электромобилей нового поколения

Совсем недавно в мире электромобилей был сделан прорыв. Ученые разработали технологию Ryden которая применят в батареях углеродный катод и анод. Это позволит подзаряжать элемент питания на 20 раз быстрее чем раньше.

На сегодняшний день электрические автомобили — это дорогое удовольствие. Завышенная стоимость связана с дороговизной энергетического источника. Наполнить энергией элемент питания не так-то просто. В процессе подзарядке он нагревается и по этой причине его емкость деградирует.

Фирма Power Japan Plus обещает убрать все эти недостатки и сделать источник энергии более лучше. Так же новая батарея для электромобилей обещает быть более безопасней. Все элементы питания от этой компании не имеют высокого нагрева при зарядке. Поэтому не требуется профессиональное охлаждение. Это означает что стоимость таких машин понизится.

Новые исследования позволят заметно снизить цену электромобиля

Основное вещество, использующееся в этом энергетическом источнике это углерод. Он значительно дешевле марганца, кобальта и никеля.

По расчетам японских ученых АКБ будет заряжаться за 12 минут. Его емкость будет такой же, как и у литий ионных батарей. Тип элементов, из которых создан аккумулятор 18650.

Такого источника питания хватит на 5-6 лет. А компания Тесла дает гарантию на свою АКБ до 8-10 лет.

Читайте так же про высоковольтную батарею.

Чтобы быстро подзарядить автомобиль, у которого стандартная литий ионная АКБ для электромобиля потребуется трехфазная розетка. Она имеет порядка 16 ампер и выдает ток 11 квт. Чтобы выполнить подзарядку нужно будет потратить 8 часов. Но с новой разработкой от Power Japan Plus это время будет в разы меньше.

В первые несколько лет батареи для электромобилей теряют порядка 5-10 % емкости. На 5 год емкость может сократится до 30%.

Замена батареи у электрического автомобиля

Она выполняется примерно через 8-10 лет. Через этот промежуток времени износ достигнет максимальных пределов. АКБ и их крепления у разных машин могут быть различными, поэтому не всегда реально поставить батарею от одной машины в другую. Вообще в одной такой АКБ имеется порядка 16 – 48 мини элементов питания формата 18650.

 

Batareykaa.ru

Электромобили: потребление, ёмкость батареи и дальность хода: sigmund_rod — LiveJournal

Видя что многие мои читатели очень мало знают о современных электромобилях, решил написать краткий «курс молодого бойца».

Это первая часть. Вторая часть (зарядка) находится здесь. 

Третья часть здесь (электромобили против ДВС).

Потребление современного электромобиля довольно низкое, порядка 120-300 Вт·ч (Ватт-час) на км, в зависимости от модели, от времени года и от того, как вы водите и по каким дорогам вы ездите. В самих машинах эта величина обычно выражается сколько кВт·ч вы используете для того, чтобы проехать 100 км. То есть, если для Nissan Leaf летом первая величина 140-160 Вт·ч на км, вторая будет 14-16 кВт·ч.  Усреднённое потребление легковых электромобилей можно считать около 200 Вт·ч на км или 20 кВт·ч на 100 км (включая зиму и движение по трассе с высокой скоростью, где расход заметно выше).

Батарея обычно находится между осями электромобиля

Ёмкость батареи выражается в кВт·ч и постоянно растёт. Если в ранних электромобилях (2013-2016) типичной была ёмкость между 20 и 30 кВт·ч, то сейчас нормальная величина около 60 кВт·ч и у самых дорогих моделей она доходит до 100 кВт·ч (например, Tesla Model S 100D). Вот, к слову, как изменялась ёмкость батареи и дальность хода Nissan Leaf, одного из самых популярных электромобилей с 2010 по 2019 годы:

https://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/li_ion_ev.html. Данные для дальности хода в японском стандарте JC08, очень оптимистичном (нереальном)

Ещё один важный параметр для батареи — это её ёмкость НЕТТО и БРУТТО. БРУТТО — это полная ёмкость батареи, НЕТТО — эта та, которую вам разрешают использовать. Так как полная разрядка до 0% и максимальная зарядка до 100% ускоряют деградацию батареи (потерю ёмкости), все производители встраивают два буфера в батарею для продления её жизни. Буфер «снизу» не даёт разряжать батарею до 0%. Это значит что когда ваша батарея опустится до, скажем 7%, ваш электромобиль покажет 0% заряда батареи и отключится. Буфер «сверху» не позволят зарядить батарею до 100%. То есть, когда электромобиль заряжен до, скажем 90%, на приборной панели вы видите 100%. 

Буфера на электромобиле (https://www. emobilitysimplified.com/2020/06/why-rapid-charger-stops-charging-at-90-percent-battery.html)

Кроме того, это позволяет сохранять постоянным дальность хода: деградация батареи «съедает» часть ёмкости буферов в первые годы жизни и водитель не замечает никакой разницы.

Дальность хода зависит от ёмкости батареи и потребления. Она обычно выражается в значении полученным по одному из стандартных тестов автомобилей (NEDC, WLTP или EPA). Эти тесты созданы для симуляции реальных условий для определения потребления и дальности хода электромобиля. Стандарт NEDC считается самым старым и слишком оптимистическим (то есть, даёт нереально высокую дальность хода, недостижимую в реальных условиях), и поэтому больше не используется. WLTP — используемый в Европе — более или менее показывает дальность хода при смешанной езде летом (город + не быстрая дорога), в то время как EPA — американский стандарт — может считаться наиболее приближённым к реальным условиям. 

Вот, например дальность хода для Nissan Leaf E+ с батареей в 62 кВт·ч. Тесты сделаны в Норвегии. 

https://www.naf.no/elbil/elbiler-i-norge/nissan-leaf-2018/rekkeviddetest-nissan-leaf-62-kwt/

У этого Лифа по WLTP стандарту дальность хода получается 385 км, но тестеры смогли проехать почти 397 км летом и 299 зимой. Довольно-таки хорошо. 

А вот данные по Tesla Model 3, с батареей в 75 кВт·ч брутто (нетто 72,5):

https://www.naf.no/elbil/elbiler-i-norge/tesla-model-3/rekkeviddetest-tesla-model-3-lr-vinter-2020/

То же самое, по WLTP стандарту дальность хода получается 560км, но тестеры смогли проехать почти 612 км летом и почти 405 зимой. 

А вот, например, небольшое сравнение дальности хода для разных электромобилей в WLTP:

https://www.statista.com/chart/17132/the-electric-cars-that-will-get-you-the-furthest/

На этом останавливаюсь, чтобы не перегружать читателей. Если вы считаете, что я что-то не так написал или можно ещё что-то добавить, не стесняйтесь комментировать.  

В следующий раз поговорим о зарядке

Мои записи про электрокары в Норвегии:

Этот ужасный электробус! (электробус, часть вторая)

Электробусы, опыт Осло (электробус, часть первая)

Взрывающаяся Тесла (про пожароопасность электромобилей)

Что делать со старыми батареями электрокаров? (про переработку батарей)

Электромобили более экологичные? (жизненный цикл автомобилей)

Как Европа заставляет автопроизводителей переходить на электричество 

Любимая и ненавистная Тесла (Плюсы и минусы Теслы)

Секрет успеха электрокаров (Почему электрокары так популярны в Норвегии)

Аккумуляторы нового поколения помогут электромобилям увеличить длину пробега без подзарядки

Компания QuantumScape, которую поддерживают Volkswagen и Билл Гейтс, представила прототип аккумулятора будущего для электромобилей. По заявлению разработчиков, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80 процентов дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами.

Сейчас основными источниками питания ноутбуков, смартфонов и даже электрокаров являются литий-ионные батареи. Они неплохо справляются, когда речь идет о небольших устройствах, но автомобильные версии имеют ряд недостатков: долго заряжаются и содержат компоненты, которые могут воспламениться при аварии. Такие батареи могут замерзнуть при очень низких температурах. Исследователи в течение многих лет тестировали разные материалы, такие как полимеры и керамика, которые помогли бы решить эти проблемы.


Устройство нового твердотельного аккумулятора.

На виртуальной пресс-конференции Battery Day, Джагдип Сингх, основатель и генеральный директор QuantumScape представил концепт литий-металлического аккумулятора, который стал результатом десятилетней работы над твердотельной литиевой батареей, — сообщает techxplore.com

Вместо привычного жидкого электролита в новой батарее применен сухой керамический сепаратор. Он обеспечивает более эффективную передачу энергии при прохождении ионов. Также в аккумуляторе есть гелевый компонент, который не замерзает в холодную погоду и подавляет рост дендритов электролита, которые снижают эффективность литий-ионного аккумулятора.

Согласно результатам тестов QuantumScape, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80% дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами. Также они сохраняют более 80 процентов емкости после 800 циклов зарядки, что намного больше, чем у их нынешних литий-ионных «собратьев». Немаловажно, детище QuantumScape заряжается до 80 процентов от емкости аккумулятора всего за 15 минут.


«Самым сложным в создании работающей твердотельной батареи является необходимость одновременного удовлетворения требований высокой плотности энергии, быстрой зарядки, длительного срока службы и работы в широком диапазоне температур», — сказал лауреат Нобелевской премии 2019 года Стэн Уиттингем, соавтор литий-ионного аккумулятора.

И, по словам Уиттингэма, батарея QuantumScape отвечает всем этим требованиям.
«Если QuantumScape сможет внедрить эту технологию в массовое производство, это может привести к преобразованию отрасли», — добавил Стэн Уиттингем.

«Мы не видим на горизонте ничего близкого к тому, что мы делаем», — сообщил Сингх.
По мнению экспертов, в новой разработке может использоваться соединение лития, известное как LLZO.

Тестирование новой батареи проводилось на однослойных элементах. Окончательная версия батареи потребует до 100 слоев, и по мере увеличения толщины могут возникнуть дополнительные сложности.

В этом направлении активно работает китайский гигант по производству аккумуляторов CATL, LG Chem, Samsung, Panasonic и Tesla. Toyota также должна была представить свой твердотельный аккумулятор на Олимпийских играх в Токио в этом году, пока пандемия не поставила крест на этих планах. Стартап под названием Solid Power начал производство батареи аналогичного типа с электролитом на основе сульфида, который обладает высокой проводимостью. Ford, BMW и Hyundai также присоединились к этому процессу. В России разработками и производством источников питания являются компании участники рынка EnergyNet. Среди ярких представителей этого рынка можно отметить компанию-производителя аккумуляторов "Лиотек". Компания производит аккумуляторы для транспорта, промышленных предприятий и домашних хозяйств.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Схематический символ батареи

Аккумулятор преобразует химическую энергию в электрическую с помощью химической реакции. Обычно химические вещества хранятся внутри батареи. Он используется в цепи для питания других компонентов. Батарея вырабатывает электричество постоянного тока (DC) (электричество, которое течет в одном направлении и не переключается туда и обратно).

Использование электричества из розетки в здании дешевле и эффективнее, но аккумулятор может обеспечивать электричеством в районах, где нет распределения электроэнергии.Это также полезно для движущихся вещей, например электромобилей и мобильных телефонов.

Батареи могут быть первичными или вторичными. Первичная цепь выбрасывается, когда она больше не может обеспечивать электричество. Вторичный аккумулятор можно заряжать и использовать повторно.

Батарея может состоять из одной ячейки или нескольких элементов . Каждая ячейка имеет анод, катод и электролит. Электролит - это основной материал внутри батареи. Часто это кислота, к которой прикасаться опасно.Анод реагирует с электролитом с образованием электронов (это отрицательный конец или конец -). Катод реагирует с электролитом и забирает электроны (это положительный конец или + ). [1] Электрический ток возникает, когда провод соединяет анод с катодом, а электроны перемещаются от одного конца к другому. (Но аккумулятор может быть поврежден просто проводом, соединяющим два конца, поэтому между двумя концами также необходима нагрузка .Нагрузка - это то, что замедляет электроны и обычно делает что-то полезное, например, лампочка в фонарике или электроника в калькуляторе). [2]

Батареи, подключенные параллельно - показаны на схеме и на чертеже

Электролит может быть жидким или твердым. Батарея называется аккумулятором с влажным или сухим элементом, в зависимости от типа электролита.

Химические реакции, происходящие в батарее, являются экзотермическими реакциями. Этот тип реакции вызывает тепло.Например, если вы оставите ноутбук включенным на долгое время, а затем прикоснетесь к аккумулятору, он будет теплым или горячим.

Аккумуляторная батарея заряжается путем обращения вспять химической реакции, происходящей внутри батареи. Но перезаряжаемый аккумулятор можно заряжать только определенное количество раз (время зарядки). Даже встроенные батареи нельзя заряжать вечно. Более того, каждый раз, когда батарея заряжается, ее способность удерживать заряд немного снижается. Неперезаряжаемые батареи нельзя заряжать, так как могут вытечь различные вредные вещества, например гидроксид калия.

Элементы могут быть подключены, чтобы сделать батарею большего размера. Соединение плюса одной ячейки с минусом следующей ячейки называется соединением их последовательно . Напряжение каждой батареи складывается. Две батареи по шесть вольт, соединенные последовательно, будут составлять 12 вольт. [3]

Соединение плюса одной ячейки с плюсом другой, а минус с минусом называется соединением их параллельно . Напряжение остается прежним, но ток складывается.Напряжение - это давление, проталкивающее электроны по проводам, оно измеряется в вольтах. Ток - это то, сколько электронов может пройти одновременно, он измеряется в амперах. Комбинация тока и напряжения - это мощность (ватты = вольт x ампер) батареи.

Батареи бывают разных форм, размеров и напряжений.

Элементы AA, AAA, C и D, включая щелочные батареи, имеют стандартные размеры и форму и имеют напряжение около 1,5 В. Напряжение ячейки зависит от используемых химикатов.Электрический заряд, который он может передать, зависит от размера ячейки, а также от химических веществ. Заряд аккумулятора обычно измеряется в ампер-часах. Поскольку напряжение остается неизменным, больший заряд означает, что более крупный элемент может обеспечивать больше ампер или работать дольше.

Первая батарея была изобретена в 1800 году Алессандро Вольта. В наши дни его аккумулятор называют гальваническим. [4]

В современных небольших батареях жидкость иммобилизируется в виде пасты, и все это помещается в герметичный корпус.Из-за этого ничего не может вылиться из аккумулятора. В более крупных аккумуляторах, таких как автомобильные, все еще есть жидкость, и они не герметичны. Разновидность батареи, в которой в качестве электролита используются расплавленные соли, была изобретена во время Второй мировой войны.

  • Сухие элементы, элементы, не содержащие жидкости (или содержащие иммобилизованную жидкость, например пасту или гель) в качестве электролита
    • Первичная ячейка, ячейки, которые нельзя перезарядить
      • Щелочная батарея, «щелочная», не перезаряжаемая
      • Батарея ртутная, неперезаряжаемая
      • Аккумулятор Leclanche, сверхтяжелый, не перезаряжаемый
      • Литиевая батарейка, неперезаряжаемая, «таблетка»
      • Батарея из оксида серебра, неперезаряжаемая, батарейка для часов
      • Вольтовая свая, первая батарея Аллесандро Вольтаса
    • Вторичный элемент, элементы, которые можно заряжать

Понимание срока службы литий-ионных батарей в электромобилях

Литий-ионный полимерный аккумулятор NASA Prototype.

Ученые сегодня ответили на вопрос, который беспокоит миллионы владельцев и потенциальных владельцев электрических и гибридных транспортных средств, использующих литий-ионные батареи: сколько осталось времени до того, как аккумуляторная батарея умрет, оставив счет-наклейку на новую упаковку или автомобиль, готовый к утилизации куча? Их ответ, представленный здесь на 245-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS), может удивить скептиков.

«Аккумулятор можно использовать в течение достаточно разумного периода времени от 5 до 20 лет в зависимости от многих факторов», - сказал Микаэль Г.Cugnet, доктор философии, который говорил по теме. «Это хорошая новость, если учесть, что по некоторым оценкам средняя продолжительность жизни нового автомобиля составляет около восьми лет.

Cugnet объяснил, что срок службы в основном зависит от температуры аккумулятора, состояния заряда и протокола зарядки. Производительность батареи начинает ухудшаться, как только температура поднимается выше 86 градусов по Фаренгейту. «Чем выше температура, тем меньше срок службы батареи», - сказал он. «Температура выше 86 градусов по Фаренгейту влияет на производительность аккумуляторной батареи мгновенно и даже навсегда, если она прослужит много месяцев, как в странах Ближнего Востока.«

Cugnet также рекомендовала владельцам электромобилей обращать внимание на уровень заряда их батареи, что является еще одним фактором, влияющим на долговечность батареи. Он сообщил, что полностью заряженный аккумулятор более уязвим к потере мощности при температуре выше 86 градусов F.

Чтобы проверить пределы литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, команда Кагнета воссоздала опыт типичной батареи для электромобилей в лаборатории. Используя данные, полученные из реальной пятимильной поездки на электромобиле, они провели моделирование срока службы аккумуляторных батарей и элементов электромобиля с циклами разряда и подзарядки. Исследователи посчитали, что срок службы батареи истек, когда она потеряла 20 процентов своей полной мощности.

Вопрос о долговечности имеет значение как для владельцев, так и для производителей электромобилей. Стоимость литий-ионных батарей, которыми питаются эти автомобили, остается высокой, а электромобиль может стоить вдвое дороже, чем его бензиновый или дизельный эквивалент. Клиенты хотят быть уверены, что они окупают свои деньги, а производители стремятся продемонстрировать экономичность электромобилей.

Одним из очевидных способов экономии является стоимость топлива в течение всего срока службы автомобиля, но производители электромобилей также продвигают так называемое использование аккумуляторов «второй жизни», которое может сделать их ценными даже после того, как они потеряли слишком много энергии, чтобы их можно было использовать в автомобилях.Эти приложения могут включать в себя резервное питание для компьютеров и медицинского оборудования или хранилище электрических сетей, которые будут идти рука об руку с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер или солнечная энергия, для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии даже в неблагоприятных условиях окружающей среды. Другой вариант - переработать компоненты батареи для изготовления новых батарей.


Аккумулятор Toshiba SCiB выбран для новых электромобилей
Дополнительная информация: Аннотация

Рынок литий-ионных аккумуляторов быстро растет в основном за счет возрождения электромобилей.Однако ожидаемый спрос на электромобили намного ниже, чем было заявлено изначально, поскольку они могут стоить вдвое дороже, чем аналогичные газовые автомобили. К сожалению, затраты на аккумуляторные батареи будут оставаться высокими до тех пор, пока они не будут производиться в больших объемах. Среди различных способов снижения их цены - возможность второго срока службы батареи в других приложениях, менее требовательных к мощности, например, в хранилищах. Это означает, что батареи должны работать не только в течение всего срока службы автомобиля, но и долгое время после него. Следовательно, существует необходимость исследовать, как они разлагаются в состоянии покоя (календарный срок) и эксплуатации (цикл) в зависимости от характеристик транспортного средства. Это поможет улучшить конструкцию батареи, систему управления батареей и, следовательно, конкурентоспособность электромобиля.

Предоставлено Американское химическое общество

Ссылка : Понимание срока службы литий-ионных батарей в электромобилях (2013, 10 апреля) получено 26 декабря 2020 с https: // физ. org / news / 2013-04-life-lithium-ion-battery-electric.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новая аккумуляторная технология для электромобилей

Инжир.: Принципиальная схема натриево-воздушных (Na-Air) аккумуляторов на основе пористых угольных электродов.

Ученые из Canadian Light Source находятся на переднем крае технологии аккумуляторов, используя более дешевые материалы с более высокой энергоемкостью и лучшей скоростью перезарядки, что делает их идеальными для электромобилей (EV).

Переход с обычных двигателей внутреннего сгорания на электромобили идет полным ходом.Тем не менее, ограниченный пробег современных электромобилей из-за ограниченных возможностей накопления энергии доступными аккумуляторными системами является основной причиной того, что эти автомобили не более распространены на дорогах.

Группа исследователей из CLS и Западного университета добилась значительных успехов в изучении перезаряжаемости и кинетики реакции натриево-воздушных батарей. Они считают, что понимание систем натриево-воздушных аккумуляторов, их химического состава и поведения при зарядке будет способствовать производству более подходящих для эксплуатации аккумуляторов для электромобилей.

«Металло-воздушные элементы используют химический состав, отличный от обычных литий-ионных аккумуляторов, что делает их более подходящими для конкуренции с бензином», - сказал д-р Сюэлян (Энди) Сан, канадский научный руководитель Департамента механики и материаловедения Western. «Разработка новых аккумуляторных батарей с более высокой плотностью энергии увеличит пробег электромобилей и сделает их более практичными для повседневного использования.

«С другой стороны, аккумуляторные системы с более высокой плотностью энергии проложат путь для возобновляемых источников энергии, чтобы уменьшить выбросы и последствия изменения климата», - сказал Сан.

В ходе экспериментов исследователи изучали различные «продукты разряда» натриево-воздушных батарей в различных физико-химических условиях. Производятся такие продукты, как перекись натрия и супероксид натрия. Понимание этих продуктов разряда критически важно для цикла зарядки аккумуляторного элемента, так как различные оксиды имеют разные зарядные потенциалы.

Эксперименты проводились с использованием мощного рентгеновского излучения пучка ЦЛС VLS-PGM.

«Мы воспользовались преимуществами высокой яркости и высокого энергетического разрешения фотоэмиссионной оконечной станции, используя поверхностно-чувствительную технику для определения различных состояний оксидов натрия», - сказал д-р. Сяоюй Цуй, научный сотрудник CLS. «Мы могли также отслеживать изменение химического состава продуктов, изменяя кинетические параметры клетки. Окончательные данные CLS помогли нам подтвердить нашу гипотезу».

По словам исследователей, только несколько исследований когда-либо касались систем натриево-воздушных батарей с ограниченным пониманием химии элемента. Их работа была опубликована в журнале Energy and Environmental Science , и авторы считают, что результаты исследования способствуют лучшему пониманию химического состава натриево-воздушных элементов, что, в свою очередь, приведет к повышению скорости зарядки и энергоэффективности.

«Несмотря на то, что за последнее десятилетие было проведено множество исследований для разработки перезаряжаемых высокоэнергетических металлических-воздушных аккумуляторных элементов, впереди еще долгий путь к созданию практичной высокоэнергетической аккумуляторной системы, которая сможет удовлетворить спрос на наши нынешние электромобили. ", - сказал Сан. «Мы работаем над разработкой новых материалов для различных аккумуляторных систем, чтобы увеличить плотность энергии и увеличить срок службы.

"Металло-воздушные батареи дешевле по сравнению с другими системами батарей, такими как литий-ионные.В частности, натриево-воздушные батареи очень рентабельны, поскольку материалы могут быть легко получены из природных ресурсов - натрий и кислород являются одними из самых распространенных элементов на Земле ».


Натриево-воздушные батареи обладают преимуществами перезаряжаемых батарей по сравнению с литий-воздушными батареями
Дополнительная информация: Ядегари, Хоссейн и др.«О перезаряжаемости и кинетике реакции натриево-воздушных батарей». Энергетика и экология 7.11 (2014): 3747-3757. DOI: 10.1039 / C4EE01654H Предоставлено Канадский источник света

Ссылка : Новая аккумуляторная технология для электромобилей (2014, 21 ноября) получено 26 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2014-11-battery-technology-electric-Vehicles.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

История развития аккумуляторов

Аккумуляторы прошли долгий путь с момента их появления в 250 г. до н.э.Предоставлено: Flickr / Patty, CC BY-NC-SA.

Батареи сегодня настолько распространены, что они почти незаметны для нас. Тем не менее, это замечательное изобретение с долгой и легендарной историей и не менее интересным будущим.

Батарея - это, по сути, устройство, в котором накапливается химическая энергия, которая преобразуется в электричество. По сути, батареи представляют собой небольшие химические реакторы, в которых в результате реакции образуются энергичные электроны, готовые протекать через внешнее устройство.

Батареи у нас давно. В 1938 году директор Багдадского музея обнаружил в подвале музея то, что сейчас называют «Багдадской батареей». Анализ датировал его месопотамским происхождением примерно 250 г. до н. Э.

Споры вокруг этого самого раннего примера батареи, но предлагаемые варианты использования включают гальваническое покрытие, обезболивание или религиозное покалывание.

Американский ученый и изобретатель Бенджамин Франклин впервые использовал термин «батарея» в 1749 году, когда проводил эксперименты с электричеством, используя набор соединенных конденсаторов.

Первая настоящая батарея была изобретена итальянским физиком Алессандро Вольта в 1800 году. Вольта сложил диски из меди (Cu) и цинка (Zn), разделенных тканью, пропитанной соленой водой.

Провода, подключенные к любому концу стопки, производили непрерывный стабильный ток. Каждая ячейка (набор из Cu, Zn диска и рассола) выдает 0,76 Вольт (В). Это значение, кратное этому значению, определяется количеством ячеек, сложенных вместе.

Один из самых долговечных аккумуляторов, свинцово-кислотный, был изобретен в 1859 году и до сих пор используется для запуска большинства автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.Это старейший образец аккумуляторной батареи.

Сегодня батареи бывают разных размеров, от больших мегаваттных размеров, которые накапливают энергию солнечных ферм или подстанций, чтобы гарантировать стабильное энергоснабжение целых деревень или островов, до крошечных батарей, подобных тем, которые используются в электронных часах.

Батареи

имеют различный химический состав, которые генерируют базовые напряжения элементов, как правило, в диапазоне от 1,0 до 3,6 В. Последовательное соединение ячеек увеличивает напряжение, а их параллельное соединение увеличивает подачу тока.Этот принцип используется для суммирования требуемых напряжений и токов вплоть до мегаваттных размеров.

В настоящее время многие ожидают, что технология аккумуляторов совершит еще один скачок с разработкой новых моделей, обладающих достаточной емкостью для хранения энергии, вырабатываемой домашними солнечными или ветряными системами, а затем для некоторых из них обеспечит питание дома в более удобное (обычно ночное) время дней

Как работают батарейки?

Когда батарея разряжается, в результате химической реакции образуются дополнительные электроны. Примером реакции с образованием электронов является окисление железа с образованием ржавчины. Железо реагирует с кислородом и отдает электроны кислороду с образованием оксида железа.

Стандартная конструкция батареи заключается в использовании двух металлов или соединений с разными химическими потенциалами и разделении их с помощью пористого изолятора. Химический потенциал - это энергия, запасенная в атомах и связях соединений, которая затем передается движущимся электронам, когда им разрешается перемещаться через подключенное внешнее устройство.

Проводящая жидкость, такая как соль и вода, используется для переноса растворимых ионов от одного металла к другому во время реакции и называется электролитом.

Металл или соединение, которое теряет электроны во время разряда, называется анодом, а металл или соединение, которое принимает электроны, называется катодом. Этот поток электронов от анода к катоду через внешнее соединение - это то, что мы используем для работы наших электронных устройств.

Первичные и аккумуляторные батареи

Типичный автомобильный аккумулятор.Предоставлено: Flickr / Асим Бхарвани, CC BY-NC-ND.

Когда реакция, вызывающая поток электронов, не может быть обращена вспять, батарею называют первичной батареей. Когда один из реагентов израсходован, батарея разряжена.

Наиболее распространенной первичной батареей является угольно-цинковая батарея. Было обнаружено, что, когда электролитом является щелочь, батареи служат намного дольше. Это щелочные батареи, которые мы покупаем в супермаркете.

Проблема утилизации таких первичных батарей заключалась в том, чтобы найти способ их повторного использования путем подзарядки батарей.Это становится более важным, когда батареи становятся больше, и частая их замена коммерчески нецелесообразна.

Одна из первых аккумуляторных батарей, никель-кадмиевая батарея (NiCd), также использует щелочь в качестве электролита. В 1989 году были разработаны никель-металл-водородные батареи (NiMH), которые имели более длительный срок службы, чем никель-кадмиевые батареи.

Батареи этого типа очень чувствительны к перезарядке и перегреву во время зарядки, поэтому скорость заряда контролируется ниже максимальной.Сложные контроллеры могут ускорить зарядку, не занимая меньше нескольких часов.

В большинстве других более простых зарядных устройств процесс обычно занимает всю ночь.

Портативные приложения, такие как мобильные телефоны и портативные компьютеры, постоянно ищут максимальную и максимально компактную накопленную энергию. Хотя это увеличивает риск сильной разрядки, с этим можно справиться с помощью ограничителей скорости тока в аккумуляторах мобильных телефонов из-за их малого формата.

Но по мере того, как рассматриваются более крупные применения батарей, безопасность в большом формате и большом количестве элементов становится более важным соображением.

Первый большой скачок вперед: литий-ионные батареи

Новые технологии часто требуют более компактных, более емких, безопасных перезаряжаемых батарей.

В 1980 году американский физик профессор Джон Гуденаф изобрел новый тип литиевой батареи, в которой литий (Li) мог мигрировать через батарею от одного электрода к другому в виде иона Li +.

Литий - один из самых легких элементов в периодической таблице, и он имеет один из самых больших электрохимических потенциалов, поэтому эта комбинация дает одни из самых высоких возможных напряжений в самых компактных и легких объемах.

Это основа литий-ионного аккумулятора. В этой новой батарее литий сочетается с переходным металлом, таким как кобальт, никель, марганец или железо, и кислородом, образуя катод. При подаче напряжения во время перезарядки положительно заряженный ион лития с катода мигрирует на графитовый анод и становится металлическим литием.

Поскольку литий обладает сильной электрохимической движущей силой, которая должна окисляться, если это разрешено, он мигрирует обратно на катод, чтобы снова стать ионом Li +, и отдает свой электрон обратно иону кобальта. Движение электронов в цепи дает нам ток, который мы можем использовать.

Второй большой скачок вперед: нанотехнологии

В зависимости от переходного металла, используемого в литий-ионной батарее, элемент может иметь более высокую емкость, но может быть более реактивным и подверженным явлению, известному как тепловой разгон.

В случае литий-кобальтовых батарей (LiCoO 2 ), произведенных Sony в 1990-х годах, это привело к возгоранию многих таких батарей.О возможности изготовления аккумуляторных катодов из наноразмерного материала и, следовательно, более реактивного материала не могло быть и речи.

Но в 1990-х годах Гуденаф снова совершил огромный скачок в технологии аккумуляторов, представив стабильный литий-ионный катод на основе литий-железа и фосфата.

Этот катод термически устойчив. Это также означает, что наноразмерные материалы из фосфата лития-железа (LiFePO 4 ) или феррофосфата лития (LFP) теперь можно безопасно превращать в крупноформатные элементы, которые можно быстро заряжать и разряжать.

Теперь для этих новых элементов существует множество новых приложений, от электроинструментов до гибридных и электромобилей. Возможно, наиболее важным применением будет хранение бытовой электроэнергии для домашних хозяйств.

Первый мобильный телефон имел большую батарею и короткое время автономной работы - современные мобильные телефоны и смартфоны требуют меньших батарей, но более продолжительного заряда.

Электромобили

Лидером в производстве аккумуляторов нового формата для транспортных средств является компания Tesla, занимающаяся электромобилями, которая планирует построить «гига-заводы» для производства этих аккумуляторов.

Размер литиевой аккумуляторной батареи для Tesla Model S составляет впечатляющие 85 кВтч.

Этого также более чем достаточно для домашних нужд, поэтому было так много слухов о том, что основатель Tesla Илон Маск готовится раскрыть на этой неделе.

Модульная конструкция батареи позволяет создавать батареи, которые в некоторой степени взаимозаменяемы и подходят как для автомобилей, так и для бытовых применений без необходимости переделки или реконструкции.

Возможно, мы скоро станем свидетелями следующего поколения изменений в производстве и хранении энергии, обусловленного постоянно улучшающимися возможностями скромной батареи.


Помимо литий-ионных аккумуляторов - значительный шаг к более производительной батарее

Эта история опубликована с разрешения The Conversation (по лицензии Creative Commons-Attribution / Без производных).

Ссылка : История и развитие батарей (2015, 30 апреля) получено 26 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2015-04-history-battery.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Суперконденсаторы - это круто. Но смогут ли они заменить батареи в электромобилях будущего?

Ультраконденсаторы имеют значительные преимущества перед батареями, в конце концов, они намного легче, быстрее заряжаются, безопаснее и нетоксичны. Однако есть места, где батарейки вытирают ими пол. По крайней мере на данный момент.

СВЯЗАННЫЕ С: TESLA ПРИСОЕДИНЯЕТСЯ К «ПРОРЫВНЫМ» ИННОВАЦИЯМ В БАТАРЕЯХ

С недавним приобретением производителей ультраконденсаторов такими, как Tesla, ультраконденсаторы могут оказаться на грани вытеснения батарей в качестве источника питания для электромобилей.

Что такое ультраконденсатор?

Ультраконденсаторы, также называемые суперконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, который набирает популярность в последние годы. Их можно рассматривать как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей, но они отличаются от обоих.

Ультраконденсаторы имеют очень высокую емкость по сравнению с их традиционными альтернативами - отсюда и название. Как и в батареях, у ультраконденсаторных элементов положительный и отрицательный электроды разделены электролитом.Но, в отличие от батарей, ультраконденсаторы накапливают энергию электростатически (так же, как конденсатор), а не химически, как батарея.

Ультраконденсаторы также имеют диэлектрический разделитель, разделяющий электролит, как и конденсатор. Эта внутренняя структура ячеек позволяет ультраконденсаторам иметь очень высокую плотность хранения энергии, особенно по сравнению с обычным конденсатором.

Ультраконденсаторы действительно потребляют меньше энергии, чем батареи аналогичного размера. Но они могут высвобождать свою энергию намного быстрее, поскольку разряд не зависит от протекающей химической реакции.

Еще одним большим преимуществом ультраконденсаторов является то, что их можно перезаряжать огромное количество раз с незначительной деградацией или без нее (более 1 миллион циклов зарядки / разрядки не редкость). Это связано с тем, что при перезарядке не происходит никаких физических или химических изменений.

По этой причине суперконденсаторы часто используются в приложениях, требующих множества быстрых циклов зарядки / разрядки, а не в долговременных компактных накопителях энергии, таких как автомобильные бустерные блоки и аккумуляторы.

Источник: stantontcady / Flickr

Наиболее часто используемым электродным материалом для ультраконденсаторов является углерод в различных формах, таких как активированный уголь, углеродное волокно-ткань, углерод на основе карбида, углеродный аэрогель, графит (графен) и углеродные нанотрубки ( УНТ).

Как заряжать ультраконденсатор?

Когда на положительную и отрицательную обкладки конденсатора подается перепад напряжения, он начинает заряжаться. По данным Battery University, «Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру.Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец ».

Некоторые из самых первых примеров этой технологии были разработаны в конце 1950-х годов в General Electric, но в то время не было жизнеспособных коммерческих приложений. Это заняло бы до 1990-х годов. за достижения в области материаловедения и производства для улучшения характеристик ультраконденсаторов и снижения их стоимости, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными.

Как работают ультраконденсаторы?

Как упоминалось выше, суперконденсаторы работают, доставляя быстрые всплески энергии в периоды пиковой нагрузки. потребляемая мощность, а затем улавливает и быстро сохраняет избыточную энергию, которая в противном случае может быть потеряна.

Источник: Учебники по электронике

По этой причине они являются отличным дополнением к первичным источникам энергии, так как заряжаются и разряжаются очень быстро и эффективно.

Несмотря на то, что аккумуляторы могут удерживать большое количество энергии, для их перезарядки требуется несколько часов. Напротив, конденсаторы, и особенно ультраконденсаторы, заряжаются почти мгновенно, но они могут хранить только небольшое количество энергии.

По этой причине ультраконденсаторы являются идеальным решением, когда системе требуется быстрая зарядка и не нужно хранить электричество в течение длительного периода времени. Они также весят меньше, чем батареи, стоят меньше и, как правило, не содержат токсичных металлов или вредных материалов.

Могут ли ультраконденсаторы заменять батареи?

Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, для чего они будут использоваться. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии и , чем ультраконденсаторы.

Это означает, что они больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии или когда устройству необходимо работать в течение длительного времени от одной зарядки.У суперконденсаторов мощности и плотности намного выше, чем у батарей. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как привод электромобилей.

Как упоминалось выше, ультраконденсаторы имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдерживать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно могут выдерживать более 1000000 . Это может дать огромную экономию материалов и затрат.

Извлечено из: skeletontech

Ультраконденсаторы также намного безопаснее и значительно менее токсичны.Они не содержат вредных химикатов или тяжелых металлов и имеют гораздо меньшую вероятность взрыва, чем батареи.

Кроме того, ультраконденсаторы имеют гораздо больший рабочий диапазон, чем батареи. Фактически, в этой области они безнадежно превосходят батареи, поскольку они могут работать в диапазоне от -40 до +65 градусов Цельсия.

Ультраконденсаторы также могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем батареи, обычно в течение секунд, и они намного эффективнее саморазряда, чем батареи.

Многие ультраконденсаторы также имеют гораздо более длительный срок хранения, чем батареи. Некоторые из них, такие как ячейки SkelCap, могут храниться до 15 лет одновременно с незначительным снижением емкости или без него.

Источник: Windell Oskay / Flickr

Как и в случае с большинством других технологий, основным фактором, влияющим на применение ультраконденсаторов, является их соотношение цены и качества. Ультраконденсаторы, как правило, являются более экономичным выбором в долгосрочной перспективе для приложений, требующих коротких всплесков энергии.

Батареи, однако, являются гораздо лучшим выбором для приложений, требующих постоянного низкого тока с течением времени.

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Как мы видели, ультраконденсаторы лучше всего подходят для ситуаций, когда требуется много энергии за короткий промежуток времени. Что касается электромобилей, это будет означать, что они будут иметь преимущества перед батареями, когда транспортному средству нужны всплески энергии - например, при ускорении.

Фактически, это именно то, что Toyota сделала с концептуальным автомобилем Yaris Hybrid-R, который использует суперконденсатор для использования во время разгона.

PSA Peugeot Citroen также начала использовать ультраконденсаторы в составе своих систем экономии топлива start-stop. Это позволяет значительно ускорить начальное ускорение.

Система Mazda i-ELOOP также использует ультраконденсаторы для хранения энергии во время замедления. Сохраненная мощность затем используется для систем запуска и остановки двигателя.

Суперконденсаторы также используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность действия и способность удерживать заряд, не так важны - и поэтому некоторые производители высокого класса, такие как Lamborghini, также начинают включать в двигатель электромоторы с питанием от суперконденсаторов. их гибриды.

Однако ультраконденсаторы пока не заменяют батареи в большинстве электромобилей. Литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут основным источником питания для электромобилей в ближайшем или отдаленном будущем.

Многие полагают, что более вероятно, что ультраконденсаторы станут более обычным явлением в качестве систем рекуперации энергии во время замедления. Эту накопленную мощность можно затем повторно использовать во время периодов ускорения, а не напрямую заменять батареи.

Источник: Mic / Flickr

Однако, согласно этому исследованию, они также могут применяться в гибридных транспортных средствах вместо батарей, когда «потребляемая мощность меньше мощности электродвигателя; когда потребляемая мощность транспортного средства превышает мощность электродвигателя, двигатель работает, чтобы удовлетворить потребность транспортного средства в мощности, а также обеспечить мощность для перезарядки блока суперконденсатора.«

Недавние исследования суперконденсаторов на основе графена могут также привести к прогрессу в использовании суперконденсаторов в электромобилях. Одно исследование, проведенное учеными из Университета Райса и Технологического университета Квинсленда, привело к появлению двух статей, опубликованных в журнале Journal of Power Sources и Nanotechnology

Они предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними. Пленка получается прочной, тонкой и способной выделять большое количество энергии за короткое время.

Эти факторы даны, в конце концов, это суперконденсатор. Отличие этого исследования заключается в том, что исследователи предполагают, что новые, более тонкие ультраконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Это также может включать в себя интеграцию ультраконденсаторов, например, в панели кузова, обшивку крыши, полы и даже двери. Теоретически это могло бы обеспечить транспортное средство всей необходимой энергией и сделать его значительно легче, чем электромобили с батарейным питанием.

Источник: Depositphotos

Такой электромобиль будет заряжаться значительно быстрее, чем современные автомобили с батарейным питанием. Но, как и все ультраконденсаторы, это решение по-прежнему не может удерживать столько энергии, сколько стандартные батареи.

«В будущем есть надежда, что суперконденсатор будет разработан для хранения большего количества энергии, чем литий-ионная батарея, сохраняя при этом способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее, что означает, что автомобиль может полностью питаться от суперконденсаторы в его корпусных панелях », - сказал соавтор исследования Цзиньчжан Лю.

«После одной полной зарядки этот автомобиль должен быть в состоянии проехать до 500 км ( 310 миль ) - аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля».

Кажется, впереди интересное время. Смотрите это пространство.

Будущее производства аккумуляторов для электромобилей

Войти

Ошибка журнала Просмотреть профиль Редактировать профиль Управление подписками Мой сохраненный контент Выйти
  • Отрасли
    • Отрасли
    • Аэрокосмическая промышленность и оборона
    • Автомобилестроение и мобильность
    • Биофармацевтические препараты
    • Потребительские товары
    • Образование
    • Инженерные продукты и инфраструктура
    • Финансовые учреждения
    • Плательщики, поставщики медицинских услуг и услуги
    • Страхование
    • СМИ и развлечения
    • Медицинское оборудование и технологии
    • Металлы и горнодобывающая промышленность
    • Нефтяной газ
    • Электроэнергетика и коммунальные услуги
    • Основные инвесторы и частный капитал
    • Обрабатывающие отрасли и строительные материалы
    • Государственный сектор
    • Розничная торговля
    • Технологические отрасли
    • Телекоммуникации
    • Транспорт и логистика
    • Путешествия и туризм
  • Возможности
    • Возможности
    • Деловая и организационная цель
    • Трансформация бизнеса
    • Корпоративные финансы и стратегия
    • Информация о клиентах
    • Цифровые технологии, технологии и данные
    • Разнообразие и инклюзивность
    • Рост
    • Инновационная стратегия и реализация
    • Международный бизнес
    • Производство
    • Маркетинговые продажи
    • M&A, Сделки и PMI
    • Операции
    • Организация
    • Стратегия людей
    • Ценообразование
    • Закупка
    • Умная простота
    • Социальное воздействие и устойчивость
    • Бюджет с нулевой базой
  • DigitalBCG
  • Избранные идеи
  • BCG Henderson Institute
  • Карьера
  • Выпускников
  • О BCG
    • О BCG
    • Наша история
    • О BCG
    • люди
      • Лидерство
      • Эксперты
    • Новости
      • Контакты для СМИ
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *