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.
Как работают аккумуляторы для электромобилей, из чего делают источники питания? В основе всегда лежит литий, который может выступать в разных конфигурациях. Основные производители — BYD, Panasonic, LG Chem, Samsung SDI и другие. Срок службы около 5-8 лет в зависимости от активности эксплуатации, а запаса хода одного заряда может хватать на 200-800 км. Ниже рассмотрим главные особенности АКБ для электрических автомобилей, поговорим о сроках их эксплуатации.
Из чего делают аккумуляторные батареи для электромобилей
Один из распространенных вопросов в Сети — материалы для аккумуляторов электромобилей. В большинстве случаев они отличаются активными компонентами, которые находятся внутри. С учетом этого АКБ бывают литий-фосфатными, литий-ионными, литий-серными и других типов. Кроме того, в состав батареи электромобиля входит полипропилен и пенополистирол. Разработчики постепенно переходят на эти компоненты, отличающиеся более высокой экологичностью и способностью вторичной переработки
Виды АКБ
Рассматривая вопрос, из чего делают аккумуляторы для электромобилей, достаточно разобраться с их видами. Как правило, на электрических машинах применяется четыре вида аккумуляторов. Рассмотрим основные варианты.
Литий-ионные
Применение Li-Ion батарей — наиболее распространенный вариант для электромобилей. К плюсам таких устройств стоит отнести:
- более высокое напряжение;
- повышенная плотность накопленной энергии;
- минимальный саморазряд, не превышающий 20% в год;
- отсутствие «эффекта памяти», что позволяет заряжать и разряжать АКБ в любое время;
- срок эксплуатации до 10 лет.
Из минусов стоит отметить высокую цену и небольшой температурный диапазон. Так, при температуре ниже -20 градусов Цельсии возможны проблемы. Также высок риск взрыва при нарушении герметичности.
Алюминий-ионные
Рассматривая, из чего состоят батареи для электромобилей, стоит отметить добавление в состав алюминия. Наличие этого компонента повышает безопасность применения АКБ. Такой аккумулятор требует меньших расходов при изготовлении и более безопасен. Активному внедрению таких устройств мешает небольшая катодная производительность и ограниченное число зарядов и разрядов.
Специалисты КНР делают большую работу по усовершенствованию характеристик источника питания. Ученые уже оптимизировали изделие, увеличив его емкость и ресурс, а также положительно влияющих на цену. Обновленный вариант еще не применяется на серийных машинах, но в ближайшем будущем это должно быть исправлено.
Литий-серные
В состав аккумуляторов для электромобилей также может входить литий и анод с содержанием серы. Такие устройства являются многослойными и отличаются повышенной емкостью. Для сравнения этот параметр вдвое выше, чем для Li-Ion. К плюсам стоит отнести и более высокий температурный диапазон, что позволяет использовать устройство на холоде.
Из минусов — ограниченное число перезарядов (не более 60), поэтому такие аккумуляторы не делают на серийных машинах. Но некоторые компании уже работают над исправлением недостатка, что в дальнейшем позволит использовать такие АКБ.
Металл-воздушные
Последнее время все чаще производят аккумуляторы для электромобилей на металл-воздушном принципе. Такие источники питания имеют меньший вес, позволяют пройти большее расстояние на одном заряде и отличаются сравнительно небольшой ценой. Кроме того, их легко утилизировать в сравнении с литиевыми устройствами.
Из минусов таких аккумуляторов выделяется уменьшение производительности на морозе, необходимость в системе фильтрации, а также возможность внезапного выхода из строя. Дополнительным недостатком также является небольшое число циклов заряда-разряда.
Прочие варианты
Рассматривая, из чего делают аккумуляторы для электромобилей тесла, стоит отметить применение современного материала в виде графена. Его добавления позволяет улучшить качества источника питания и улучшит проводимость электродов. Кроме того, такие аккумуляторы делают для уменьшения веса и увеличения запаса хода. На одном заряде можно пройти более 1000 км. К примеру, такими параметрами может похвастаться Tesla Model S.
Кроме того, на АКБ для электрических машин делают из сочетания других элементов — никель-кобальт-алюминиевые, на базе фосфата железа, с применением кремния и графита, а также в других вариантах.
Можно ли поменять батарею на электромобиле
Разобравшись в вопросе, из каких материалов сделаны батареи для электромобилей, возникает не менее важная дилемма — можно ли их заменять в случае износа. Это необходимо делать, если АКБ потерял часть емкости. Но сам процесс проходит в несколько этапов:
- Проверка правильности крепления нового источника питания.
- Программирование систем автомобиля, чтобы обеспечить корректную работу блока управления АКБ с бортовым компьютером.
- При незначительном повреждении не обязательно менять источник питания полностью — достаточно заменить поврежденные блоки.
Но стоит учесть, что покупка источника питания может вылиться в крупную сумму. К примеру, для Теслы один блок стоит от 1000 долларов, а их нужно 16. Вот почему многие делают проще — они меняют не всю АКБ, а только поврежденные элементы. Б/у блоки стоят дешевле, но и ресурс у них будет ниже.
Основные производители
Сегодня многие компании делают аккумуляторные батареи для электромобилей. К наиболее популярным можно отнести следующие компании: BYD, Panasonic, LG Chem, Farais, AESC, Samsung SDI, CATL. При этом лидирующие позиции занимает именно CATL, что обусловлено большими субсидиями от государства. Что касается Тесла, для нее делают АКБ на заводе Панасоник, а вот BYD выпускает необходимое оборудование для электрических автобусов. У многих производителей имеются мощности в США и Европе.
Сколько можно проехать на аккумуляторе
Ресурс источника питания зависит от того, из чего делают аккумулятор для автомобилей. В среднем на одном заряде машина может пройти около 500-700 км. Некоторые модели Тесла имеют показатель до 1000-1200 км. При этом многое зависит от того, из чего сделаны батареи, какая технология была использована, и в чем особенности.
Что касается времени применения, средний срок службы около 5-8 лет при ежедневном заряде. По истечении этого периода девайс потеряет около 30-40% мощности, но можно продолжать эксплуатацию в прежнем режиме.
Теперь вы знаете, из чего делают аккумуляторы для электромобилей, в чем их особенности, и какие компании занимаются их изготовлением. В комментариях расскажите, что вы знаете об источниках питания для таких авто.
АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
В последнее время всё больше автомобилей переходят с бензиновых двигателей на электрические. Конечно последним всё ещё далеко по своим характеристикам до классических — внутреннего сгорания, но прогресс на месте не стоит, и если пока пальму первенства удерживают бензиновые и дизельные, то очень скоро произойдёт массовый переход на более экологичные и бесшумные двигатели на электротяге.
На данный момент слабым местом электромобиля является аккумулятор. Сейчас используются в основном литий — ионные. Такие аккумуляторы, при их преимуществах связанных с относительно небольшими размерами, больше страдают от процесса ухудшение характеристик со временем. Большинство таких аккумуляторов не может служить больше пяти лет. Количество зарядно-разрядных циклов не так влияют на ресурс, как возраст, при коротком времени цикла заряда и разряда, батарея выдерживает до 2000 циклов. Для достижения максимальной длительности эксплуатации аккумулятора, при заряде необходимо использовать токи равные половине емкости. И нежелательно превышать предел в одну ёмкость, так как это приводит к резкому сокращению срока службы.
В настоящее время существуют такие разновидности литий ионных аккумуляторов: на базе кобальтатов лития на графитовых электродах, и на основе других элементов — LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4 , LiFePO4.
Сейчас автопроизводители используют такие аккумуляторы, есть модель с напряжением 36 В, способная отдавать более 15 кВт мощности, другая модель, состоящая из 200 отдельных никель-метал-гидридных батарей. Каждый отдельный элемент этой батареи расположена в коробке из стали и дает напряжение 1,3 В. Батареи собраны вместе в группы по несколько штук. В портативном батарейном источнике питания 50 модулей. Полное напряжение портативного батарейного источника питания составляет около 300 вольт.
В аккумуляторах электромобилей Honda используют элементы с силой тока при разрядке составляет 100A, а при зарядке — 50A. Напряжение батареи 240 В.
Автомобили на электротяге Nissan, имеют литий-ионные батареи плоского типа. Под днищем авто спрятано 50 модулей: вес каждого модуля 4 кг, и общая энергоотдача отдача – 90 кВт. Этого достаточно, чтобы питать 80-киловаттный электромотор (280 Н·м) и другие бортовые системы. Заряженных батарей хватает где-то на 160 км проезда.
В автомобилях на электротяге используются следующие модификации литиевых аккумуляторов:
— Никель-кобальт-марганец. Марганец дешевле кобальта, но срок его службы меньше. Если заменить части кобальта никелем и марганцем, то аккумулятор может получить либо более высокую мощность, либо большую энергетическую плотность. NCM остается восприимчивым к тепловому уходу, но меньше так чем диоксид кобальта.
— Никель-кобальт-алюминий . Этот сплав подобен NCM, но алюминий стоит меньше .
— Фосфат железа. Этот сплав мог бы стать самым перспективным, потому что он стабилен и безопасен. Не имеет никаких проблем с перегревом. Недостатком является то, что аккумуляторы из FePo работают при более низком напряжении, чем кобальтовый аккумулятор, поэтому батарей и элементов должно быть больше.
Вес всей аккумуляторной батареи в электромобилях не мал, и составляет от 50 до 400 кг. Но всё-же литий-ионный аккумулятор вырабатывает примерно вдвое больше энергии на единицу веса, чем предыдущее поколение никель-метал-гидридных аккумуляторов. В перспективе можно спрогнозировать полный переход автомобилей на электротягу с использованием литий — ионных аккумуляторов и их модификаций. Особенно это относится к городскому транспорту, так как вопрос экологичности у него стоит на первом месте.
ФОРУМ по аккумуляторам и зарядным устройствам.
Электромобили всё прочнее занимают своё место среди бытовых и промышленных транспортных средств. Благодаря тому, что гибридные авто в качестве источника питания используют электроэнергию, получаемую от аккумуляторов, они являются экологически чистыми механизмами. При выборе электромобиля автолюбители часто задаются вопросом, какая батарея лучше и как правильно обращаться с ней в процессе эксплуатации транспортного средства, чтобы максимально продлить срок и качество её работы.
- Что представляет собой литиевая батарея
- Преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов
- Применение литий-ионных батарей в электромобилях
Что представляет собой литиевая батарея
Первые литиевые батареи на основе металлического лития были созданы ещё в 70-е годы ХХ в., однако использование их было проблематично из-за большой химической активности лития. Они быстро нагревались и имели свойство взрываться или самовозгораться. Проблему удалось устранить только в 90-е годы, когда на смену чистому литию пришло применение его ионов.
Важно! Аккумулятор дополнительно оснащается предохранителем, который позволяет устранить избыточное напряжение в аварийной ситуации.
В наши дни литий-ионные АКБ (аккумуляторные кислотные батареи) являются наиболее востребованными источниками питания для электромобилей благодаря способности быстро накапливать и отдавать большое количество энергии. В электромобилях, в качестве источника питания, чаще всего используется литиевая батарея или литий-ионный аккумулятор. Такая батарея имеет отрицательно и положительно заряженные электроды, к которым клеммами подсоединяются токосъёмники.
В качестве отрицательно заряженного электрода (катода) используется углеродная матрица, которая может состоять из графита (природного или синтетического), сажи или углерода. Положительно заряженным электродом (анодом) служит литированый оксид никеля или кобальта, или литий-марганцевое соединение. Катод и анод разделены сепаратором, который имеет поры и пропитан электролитом. Электролит находится в герметичной капсуле.
При высвобождении свободных электронов на сепараторе, начинается процесс замещения в молекулах положительно и отрицательно заряженных электродов (ионы лития встраиваются в структуру матрицы углерода), что приводит к высвобождению энергии. Энергия по клеммам подаётся на провода и далее служит источником тяговой силы для электромобиля. Li-ion батарея полностью герметична. Это нужно для избежания утечки электролита и контакта электродов с кислородом или водой, что приводит к полной порче аккумулятора.
Он может быть выполнен в виде плоскости или цилиндра:
- в цилиндрической сборке электролит и сепаратор скручены в рулон и подсоединены внутри герметичного корпуса к катоду. Анодный электрод находится снаружи;
- при сборке в виде плоскостей пластины укладываются одна на другую и представляют собой набор полноценных батареек.
Знаете ли вы? Как прогнозируют аналитики Bank of America и Oxford Institute for Energy Studies, к 2030 году 40% всего автотранспорта на планете будет электрическим, а к 2050-му — 95%. Уже сейчас в Китае планируется прекратить продажу бензиновых и дизельных автомашин в Пекине к 2020 году.
Преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы являются универсальными источниками электрического тока и пользуются большим спросом во всём мире. Они имеют свои плюсы и минусы.
К положительным сторонам Li-ion накопителя можно отнести:
Отрицательными сторонами литий-ионных АКБ являются:
Рекомендуем для прочтения:
- Электромобили и коробка передач — нужна ли
- Двигатели для электромобиля: как устроены и принцип их работы
- Лучшие бюджетные электромобили
- Как выбрать электромобиль и ТОП лучших электромобилей в России
Применение литий-ионных батарей в электромобилях
Большинство литий-ионных источников питания для гибридных и электромобилей работают с напряжением 36 В и продуцируют мощность 15 кВт. Современные АКБ такого типа вмещают 0,8–2,6 кВт/ч на 1 кг своего веса, что намного больше, чем у других типов батарей.
Оптимальный уровень заряда такого источника питания составляет от 25 до 75%, что позволяет его владельцу не особенно переживать об уровне переразряда или перезаряда (для сравнения, никель-металлгидридный аккумулятор имеет оптимальный диапазон для зарядки всего от 40 до 60%).
Современные технологии позволили создавать такие литий-ионные аккумуляторы, которые при необходимости можно заменять не полностью, а отдельными блоками, удаляя места, где имеются повреждения.
При использовании электромобилей с литиевым источником питания, необходимо соблюдать следующие правила:
- заряжать АКБ согласно инструкции;
- следить за уровнем заряда;
- не нарушать температурный режим — чтобы батарея не испортилась, её следует при необходимости нагревать или же охлаждать;
- беречь от ударов и сильных вибраций, для чего при установке можно проложить амортизирующую прослойку;
- для длительного хранения аккумулятор должен быть заряжен на 50% и находиться при температуре 0°С;
- не нарушать герметичность корпуса аккумулятора — это приводит к взрывоопасности источника питания.
Знаете ли вы? Весной 2017 года чиновники из руководства Индии заявили, что правительство планирует электрифицировать все транспортные средства в стране к 2032 году.
При повреждении или истечении срока эксплуатации (когда падает энергоёмкость и это отражается на времени хода автомобиля), Li-ion источник питания возможно заменить. Процедура замены довольно длительная и проводить её следует в специальных сервисах. После установки нового аккумулятора, он должен пройти регистрацию и настройки через бортовой компьютер электрокара.
После того как АКБ не может более использоваться для питания электрокара, её можно утилизировать в специальных пунктах приёма, или использовать в быту, как накопитель энергии от солнечных батарей или ветрогенераторов.
Li-ion источник питания на сегодняшний день является самым популярным вариантом для использования в электрокарах и гибридных авто. Несмотря на сравнительную его дороговизну, он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими АКБ (компактность, маленький вес при большом заряде, долговечность), что делает соотношение цена-качество оптимальным.
В конце ноября американская компания QuantumScape, которую до этого десять лет деньгами поддерживали только фонд Билла Гейтса и Volkswagen, стала публичной и вышла из тени. Сразу было заявлено, что разрабатываемые компанией твердотельные литийметаллические аккумуляторы станут батареями для электромобилей второго поколения, которые по дальности хода сравнятся с автомобилями на ДВС. Сегодня она с цифрами в руках доказывает свою правоту.
Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape
До разработки QuantumScape, которая десять лет назад вышла из стен Стэндфордского университета, твердотельные литийметаллические аккумуляторы считались перспективными, но страдающими массой отрицательных побочных явлений. В частности, они были безопаснее и более ёмкими, чем литийионные, но обладали узким рабочим температурным диапазоном. Аккумуляторы QuantumScape, как утверждают разработчики, свободны от детских болезней твердотельных литийметаллических аккумуляторов и могут стать коммерчески осуществимыми уже через четыре года.
Главной особенностью твердотельных литийметаллических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы не имеют анода. Точнее, при производстве аккумуляторов QuantumScape анод не изготавливается. Этот электрод формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки. Заявленная скорость осаждения лития в процессе формирования анода превосходит все предыдущие показатели и достигает одного микрона в минуту, что обещает высокую плотность зарядного тока и быструю зарядку: до 80 % ёмкости за 15 минут.
В компании гордятся, что анод аккумулятора спроектирован с «нулевым превышением лития». Иначе говоря, в процессе производства ячейки нет необходимости даже в минимальном количестве лития в виде фольги или осаждения в месте формирования анода. Это заметно удешевляет и упрощает производство ячеек.
Ещё одним важным изобретением QuantumScape стало создание керамического сепаратора, который разделяет электроды. Сепаратор QuantumScape тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литийионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. Следует отметить, что аккумуляторные ячейки QuantumScape будут изготавливаться в виде «мешочков», а не в цилиндрическом формфакторе. Возможно это одна из особенностей использования керамических сепараторов.
Источник изображения: QuantumScape
Аккумуляторы QuantumScape также могут похвастаться толстыми катодами с возможностью пропускать токи высокой плотности свыше 3 мА·ч/см 2 в течение часа заряда и разряда с токами 1C. После прохождения 800 циклов заряда и разряда ячейки QuantumScape сохранили свыше 80 % ёмкости, что потенциально обещает возможность проехать на одном аккумуляторе сотни тысяч км. Что также важно, аккумуляторы сохраняют рабочие характеристики до температур -30 °C, чего невозможно было добиться с помощью альтернативных разработок. Также, за счёт того, что из анода убран графит или графит-кремний, вещество электролита не деградирует в ходе побочных реакций в процессах зарядки и разрядки ячейки. Как нетрудно понять, это сохраняет рабочие параметры ячейки максимально долго.
Наконец, QuantumScape обещает довести ёмкость коммерческих твердотельных литийметаллических аккумуляторов до проверенного в лабораториях максимума: 1000 Вт·ч/л. Тем самым ёмкость аккумуляторов может вырасти на 80 % по сравнению с лучшими современными литийионными ячейками и довести запас хода электромобилей до величин, сопоставимых с возможностями автомобилей на двигателях внутреннего сгорания.
Краткий ликбез
Что это
Аккумуляторы бывают литий-ионными, алюминий-ионными, литий-серными, литий-фосфат железными, металл-воздушными. В основном, в электромобилях используются литий-ионный аккумуляторы. Они имеют большую плотность энергии, высокое напряжение, низкий саморазряд, отсутствие эффекта памяти и продолжительный срок использования (8-10 лет). Однако дорого стоят, могут перегреваться и взрываться.
Несмотря на высокую стоимость и сомнительную безопасность литий-ионных аккумуляторов, с ними почти ничто не может конкурировать по мощности и количеству циклов заряда-разряда. Разработчики постоянно ведут поиск оптимальной по характеристикам формулы для производства аккумулятора: безопасного, с низкой себестоимостью производства, долгой службой эксплуатации, простотой в утилизации, быстрым временем зарядки и максимально эффективного (с удельной энергией 400 и более Wh/кг).
Кто производит
Перспективы
Самыми перспективными считаются аккумуляторы на основе графена . С помощью графена улучшают свойства батареи, например, добавляют его к электродам и увеличивают их проводимость .Такие аккумуляторы получаются намного легче литий-ионных и не могут взорваться. Удельная емкость в 5 раз превышает емкость литий-ионного аккумулятора (1000 Вт/ч против 200 Вт/ч на 1 кг веса). Tesla Model S, оснащенная графеновой батареей, может проехать на одном заряде не 334 км, а 1013 км, и заряжается менее чем за 10 минут.
При всех своих чудесных характеристиках, графеновые аккумуляторы и другие современные разработки (например, батареи на основе материалов, полученных из морской воды) , давно должны были заполнить рынок. Но производители продолжают улучшать литий-ионные батареи, созданные еще в 70-х годах XX века, а инвесторы не горят желанием вкладывать деньги в разработку новых технологий. Ведь для этого нужны миллионы долларов, которые не окупятся по той причине, что новые батареи будут тестировать годами, затем им предстоит пройти длительный период адаптации на рынке и повысить интерес покупателя. Остается надеяться, что графен сможет разорвать этот порочный круг, так как в разработку аккумуляторов на его основе уже вложен огромный капитал.
А пока графеновые батареи остаются проектом будущего, предлагаем посмотреть наглядно, что из себя представляет уже привычный литий-ионный аккумулятор на примере домашней сборки. Умельцы из украинского YouTube-канала KREOSAN собирают литий-ионные АКБ для сварочных аппаратов, электровелосипедов и прочего. В электрокмобилях применяется тот же прицнип, только сборка не кустарная, а производственная.
Как скоро мне придется заменять АКБ своего электромобиля?
Средний срок службы аккумуляторов электромобилей — 5-8 лет (если заряжать каждый день). Это не означает, что спустя эти годы батарея утратит 100% емкости и ее нужно будет срочно менять. На деле она сохранит около 70% и ее можно будет продолжать эксплуатировать дальше, только придется смириться с тем, что дистанция пробега с одного заряда уменьшится. Например, спустя 5 лет эксплуатации Nissan Leaf может на одном заряде проезжать 100-130 км от заявленных 160 км. Учитывайте, что на показатели пробега и здоровья батареи влияет не только время, но и режим эксплуатации с количеством циклов заряда-разряда, нагрева-перегрева, наличие охлаждения или его отсутствие (как у того же Nissan Leaf), в зависимости от конструктивных особенностей автомобиля.
Скорость снижения емкости также зависит от конкретной модели электромобиля. Наблюдение за поведением АКБ Tesla Model S и Nissan Leaf показывает, что емкость активно снижается в течение 5 лет эксплуатации: первые 1-2 года запас хода уменьшается на 5-10% и в течение следующих 3-х лет — еще на 20-30%. После этого процесс приостанавливается и становится стабильным: снижение происходит ежегодно всего на 0,5%.
Если слишком часто пользоваться технологией быстрой зарядки (3-5 раз в неделю и чаще), батарея деградирует в 1,5-2 раза быстрее, поэтому лучше заряжать полноценно и на стоянке или ночью, а не во время движения. Стоит пользоваться тем же принципом, что и при зарядке гаджетов: держать заряд в диапазоне 20-80%, не допуская полной разрядки. Самое худшее,что можно сделать — это регулярно разряжать батарею до 0%, а потом оставлять ее разряженной на долгое время. Так вы потратите буферный запас АКБ и попросту ее испортите.
Чтобы продлить срок эксплуатации батареи, следите за тем, чтобы она как можно реже перегревалась (самая комфортная температура — 21° C). Старайтесь не оставлять электромобиль на открытом солнце и ищите для него тень.
Можно ли отремонтировать или заменить аккумулятор электромобиля?
Можно и нужно, если аккумулятор утратил большую часть емкости. Но сделать это не так просто, как, например, заменить батарею смартфона или ноутбука. Нельзя просто вынуть ее и заменить на новую:
- нужно убедиться, что разъемы и крепления нового аккумулятора подходят к конкретной модели электромобиля — АКБ подбирают индивидуально;
- после установки нужно перепрограммировать электронные системы — «познакомить» блок управления аккумулятором с бортовым компьютером автомобиля;
- если батарея была повреждена (например, выступом или наплывом на дорожном покрытии), она не требует полной замены. За счет того, что это не монолитная конструкция, а объединенные между собой блоки (их число варьируется от 16 до 48 штук), можно менять только поврежденные участки, но при условии, что внутрь конструкции не попала влага, которая будет разрушать батарею.
Сколько стоит новый АКБ для электромобиля?
Цены на аккумуляторы с каждым годом становятся все ниже. Согласно прогнозам компании Energy Trend стоимость АКБ в 2020 году составит менее $150/кВт*ч. Для сравнения: в 2016 году цена литий-ионный аккумуляторов составляла $300-400/кВт*ч., а в 2018 — уже $180-200/кВт*ч. Стоимость одного киловатт-часа планируют снижать за счет новых конструкций упаковок, изменения цепочек поставок и сокращения затрат на производство.
В Украине можно купить новый батарейный блок для Nissan Leaf по цене около $100 и, соответственно, $4-5 тысяч за всю батарею. Tesla стоит намного дороже и блоков нужно собрать больше: 1 блок обходится в $1000, а целая батарея из 16 блоков — в $16000. Владельцы электромобилей экономят, покупая б/у блоки. Они стоят дешевле, но нужно учитывать, что их емкость будет на 5-15% меньше заявленной изначально.
Содержание
2021: Анонс первых натриево-ионных аккумуляторов для электромобилей
В конце июля 2021 года китайская компания CATL представила первый коммерческий образец натриево-ионного аккумулятора для электромобилей. По словам производителя, их можно выпускать параллельно с литий-ионными, без переоборудования конвейеров. Хотя такие аккумуляторы пока не могут похвастаться выдающимися характеристиками, CATL удалось решить главную проблему, создав материалы для катода и анода с необходимыми кинетическими свойствами. Подробнее здесь.
2020: Рост рынка аккумуляторов для электромобилей на 21%, крупнейшие поставщики — SNE Research
По итогам 2020 года объем мирового рынка аккумуляторов для электромобилей с точки зрения суммарной емкости поставленных батарей продемонстрировал рост на 21%, до 142,8 ГВт*ч. В число крупнейших производителей таких продуктов вошли CATL, LG Energy Solution (дочерняя компания LG Chem), Panasonic, свидетельствуют данные консалтинговой компании SNE Research.
Согласно исследованию, Азиатско-Тихоокеанский регион оказался абсолютным лидером в производстве аккумуляторов в 2020 году. Лучший рост показала компания LG Energy Solution — на 172%, до 33,5 ГВт*ч благодаря сотрудничеству с Tesla и Volkswagen Group.
В декабре 2020 года рынок аккумуляторов значительно вырос — до 25,8 ГВт*ч (на 52,1% больше, чем за аналогичный период в 2019 году — 17 ГВт*ч).
Крупнейшими поставщиками в декабре 2020 года были: LG Energy Solution, опередившая CATL и Panasonic:
- LG Energy Solution — 6,9 ГВт*ч (рост на 366%);
- CATL — 6,1 ГВт*ч (рост на 16,5%);
- Panasonic — 4,1 ГВт*ч (снижение на 7,8%);
- BYD — 1,8 ГВт*ч (рост на 46,4%);
- Samsung SDI — 1,4 ГВт*ч (рост на 166%);
- SK Innovation — 1,2 ГВт*ч (рост на 676%);
- CALB — 0,7 ГВт*ч (рост на 286%);
- Envision AESC — 0,4 ГВт*ч (рост на 64,5%);
- Guoxuan — 0,4 ГВт*ч (снижение на 7,3%);
- CATL-SAIC — 0,4 ГВт*ч (рост на 295%);
- прочие — 2,2 ГВт*ч (снижение на 21,8%).
В 2020 году общий рынок аккумуляторов, по данным SNE Research, составил около 142,8 ГВт*ч (на 21,0% больше, чем 118 ГВт*ч в 2019 году). Компания CATL оказалась на первом месте — 34,3 ГВт*ч (рост на 5,4%), немного опережая LG Energy Solution — 33,5 ГВт*ч (рост на 172%) и заметно опережая Panasonic — 26,5 ГВт*ч (снижение на 8,2%).
Показатели других крупных поставщиков:
- BYD — 9,6 ГВт*ч (снижение на 13,5%);
- Samsung SDI — 8,2 ГВт*ч (рост на 85,3%);
- SK Innovation — 7,7 ГВт*ч (рост на 274%);
- Envision AESC — 3,8 ГВт*ч (снижение на 3,1%);
- CALB — 3,4 ГВт*ч (рост на 128%);
- Guoxuan — 2,5 ГВт*ч (снижение на 22,8%);
- PEVE — 2,0 ГВт*ч (снижение на 8,1%);
- прочие — 11,2 ГВт*ч (снижение на 29%). [1]
2019: Топ крупнейших аккумуляторов для электромобилей
27 ноября 2019 года агентство Reuters опубликовало статью, в котором назвало имена крупнейших в мире производителей аккумуляторных батарей для электромобилей.
Contemporary Amperex Technology (CATL)
CATL является лидером рынка электромобильных батарей. Компания сотрудничает с такими гигантами, как BMW, Volkswagen, Daimler, Volvo, Toyota и Honda.
CATL заняла первое место во многом благодаря программам государственного субсидирования продаж электрокаров, оснащённых аккумуляторами китайского производства. Рынок электрических машин в КНР является крупнейшим в мире, однако в 2020 году субсидии планируется отменить.
Panasonic производит аккумуляторы для электромобилей в Японии, Китае и планирует перевести некоторые из своих заводов в новое совместное предприятие с Toyota. Однако главная фабрика у Panasonic расположена в Неваде (США), там производятся батареи для машин Tesla.
Китайская компания BYD, в которую инвестировал Уоррен Баффет, входит в тройку крупнейших в мире производителей аккумуляторов для электромобилей. BYD использует батареи в основном для собственных автомобилей и автобусов. Компания планирует запустить производство в Европе.
LG Chem считается одним из первых производителей аккумуляторов для электромобилей, когда начала поставлять их компании General Motor. В число клиентов южнокорейского вендора также входят Ford, Renault, Hyundai Motor, Tesla, Volkswagen и Volvo.
Samsung SDI
Эта компания изготавливает батареи для электромобилей в Южной Корее, Китае и Венгрии. Samsung SDI имеет заказы от BMW, Volvo и Volkswagen. Южнокорейская компания намерена инвестировать 1,2 млрд евро в расширение своего завода в Венгрии, а европейские власти изучают, соответствует ли финансовая поддержка Будапешта европейскому законодательству. [2]
В настоящее время существуют две проблемы, которые мешают электромобилям стать популярнее, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Именно аккумуляторы в электромобилях определяют малый радиус действия авто без подзарядки и слишком длительное время перезарядки батареи.
В связи с этим разработка аккумуляторов в электромобилях является важнейшим аспектом повышения производительности химических источников тока многоразового действия. Этот прогресс требует надежных систем автоматизированного проектирования для точного и надежного моделирования характеристик батареи.
Литий-ионные аккумуляторы используемые сейчас позволили осуществить беспроводную революцию, трансформирующую глобальную коммуникацию.
Однако будущие вызовы требуют распределенного энергоснабжения на уровне, который неосуществим при существующей технологии накопления энергии. Необходимы новые материалы, способные обеспечить более высокую плотность энергии и новые аккумуляторы в электромобилях.
Развитие аккумуляторов в электромобилях
Одним из первых аккумуляторов в электромобилях был свинцово-кислотный. Эти батареи были громоздкими по размеру, весили около 400 кг и обеспечивали только около 16 кВт/час.
Никельметалгидридные элементы NiMH как в первых гибридных автомобилях типа «Приус» также уже не используются в новых разработках.
Развитие портативной электроники и электромобилей нового поколения неразрывно связано с достижениями в области накопителей энергии, таких как батареи и суперконденсаторы.
Литий ионные источники тока в автомобилях
Недавние исследования показали, что литий-ионные батареи обеспечивают в 3 раза большую энергию при вдвое меньшем весе, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы в электромобилях имеют меньший размер и обеспечивают более высокое номинальное напряжение. Именно источники тока такого типа стоят в известном электромобиле «Тесла», а также более дешевом «Ниccaн Лиф».
Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время доминируют на рынке портативных электронных устройств (например, ноутбуков, мобильных телефонов и т. д.). В своей наиболее распространенной конфигурации эти батареи состоят из литиевого составного катода (например, LiCoO2 или LiFePO4), а анод из углерода. Достигаемая плотность энергии порядка
120-150 Вт/ч кг.
Однако литий-ионные аккумуляторы достаточно дорогостоящие при современных критериях производительности, с точки зрения стоимости (
135 US$ за кВт/ч), скорости заряда/разряда (полная зарядка
30 мин для 200 км пробега электромобиля), измеренная плотность энергии (>300 Вт/ч кг) и безопасность. Все эти характеристики необходимы для развития всех электромобилей, а также для хранения электрической энергии, преобразованной ветром или солнечной энергией.
Это делает нынешнюю литий-ионную технологию требующей доработки в качестве основного источника энергии.
Энергетическая способность литий-ионной батареи критически зависит от скорости, с которой ионы Li+ и электроны могут мигрировать из электролита и электродной опоры в активный электродный материал для хранения ионов Li. Критической проблемой является низкая теоретическая удельная емкость.
Для увеличения емкости большая часть текущих исследований сосредоточена на альтернативных анодных материалах, таких как кремний Si (420 Вт/ч кг и SnO2 (782 Вт/ч кг). Однако их применение, в основном, ограничено их плохой цикличностью (т. е. количеством циклов заряда/разряда до того, как удельная емкость упадет ниже 60% от номинального значения), вызванной большими объемными изменениями (100-300% по отношению к исходному объему) в процессе повторного легирования и де-легирования Li+ .
Следующее поколение аккумуляторов для электромобилей
Следующее поколение батарей сравнимой с литий-ионной, – это литий-железо-фосфатная. Литий-железо-фосфатный источник тока (LiFePO4) работает более 1000 циклов, прежде чем его емкость падает до 80%. Это существенное улучшение по сравнению с литий-ионным аккумулятором.
Существует еще литий-ионно кобальтовый аккумулятор LiCoO2, срок службы которого составляет 400 циклов. Кроме того емкость литий-ионного кобальтового аккумулятора падает до 80% после 60 циклов.
Проведенные испытания показывают, что для электромобилей лучше подходит литий-железо-фосфатный аккумулятор LiFePO4.
Батарея LiFePO4 имеет гибридные характеристики: она так же безопасна, как свинцово-кислотная и так же мощна, как литий-ионная батарея. Преимущества широкоформатных литий-ионных (и полимерных) аккумуляторов, содержащих литий-железофосфат (LiFePO4) достаточно широкие.
Некоторые примечательные характеристики батареи LiFePO4 по сравнению с ранее выпускаемой литий-ионно-кобальтовой батареей заключаются в более низком риске для безопасности, более высокой удельной плотности энергии, более дешевой и более экологичной.
Применение графена в источниках тока
Существуют еще литий-ионные батареи на основе графенового анода и литий-железофосфатного катода. Графен, благодаря своему большому отношению поверхности к массе, превышающему 2600 м 2 на грамм, высокая электропроводность, высокая механическая прочность является перспективным материалом для электродов в литий-ионных батареях. В то время как однослойный графен, выращенный с помощью химического осаждения из паровой фазы, имеет ограниченную способность из-за отталкивания между ионами литий+.
Большие усилия сейчас посвящены эксплуатации химически модифицированного графена, такого как оксид графена. Однако он отличается от других материалов для положительных электродов своей оливиновой структурой и фазовым переходом. Однако графеновый анод демонстрирует кристаллический порядок и высокое поглощение лития, что увеличивает качественные характеристики.
Таким образом, аккумуляторы в электромобилях требуют нового подхода, совместимого с современными высокоёмкими технологиями, являться дешевыми и масштабируемыми.
Работа электромобиля основана на электрическом токе. Внешне такие машины трудно отличить от авто с бензиновым двигателем. Единственная заметна разница в шуме при движении: электромобиль передвигается практически бесшумно. По типу организации работы эти виды машин существенно отличаются.
В электроавтомобиле установлен двигатель, функционирующий от электрического тока и получающий энергию от аккумуляторов.
Основные виды аккумуляторных батарей
В основе работы электромотора лежит принцип индукции электромагнитной природы. Данный тип двигателя преобразовывает энергию электриеской природы в механическую. Этот двигатель имеет высокий показатель КПД (коэффициента полезного действия). Он может достигать 95%.
Главный источник энергии электромотора – батареи аккумуляторной природы. Такие источники питания довольно дорогостоящие, что является главной причиной недостаточной распространенности электромобилей.
Наиболее популярный и доступный вид аккумуляторов – источники питания со свинцово-кислотным наполнителем. Также эти батареи почти полностью перерабатываются, что уменьшает их отрицательное влияние на экологию. Следующий вид аккумуляторов – никель-металлогибридные. Они дороже, чем представленные ранее, но имеют более высокие показатели производительности. Литий-ионные источники питания – идеальные для автомобилей с электрическим двигателем. Они наименее распространены среди автовладельцев из-за своей высокой стоимости.
Зачастую в электромобилях, кроме батарей, питающих двигатель, устанавливают дополнительный источник питания, обеспечивающий функционирование фар, магнитолы, стеклоочистителей и других аксессуаров вашего транспортного средства.
Особенности и строение аккумулятора с литий-ионным наполнителем
Источник питания с литий-ионным наполнителем очень распространен сегодня в бытовой электронике и широко применяется в автомобилях с электрическими двигателями и энергетических системах (мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и т.д.).
Литий-ионный аккумулятор является наилучшим вариантом для питания электромобилей. Его составляющие:
- Электроды, разделенные между собой сепараторами, которые пропитаны электролитом.
- Герметичный корпус, в котором размещены электроды.
- Катоды и аноды, прикрепленные к токосъемникам-клеммам.
Корпус оснащен предохранительным клапаном, главная функция которого – сбрасывать внутреннее давление при авариях и нарушении условий использования двигателя. Литий-ионные аккумуляторы различаются в зависимости от характера материала на катоде. «Транспортером» заряда в этом источнике питания есть ион лития с положительным зарядом, который может вклиниваться в кристаллическую структуру таких материалов, как графит и различные соли, с созданием связи химической природы.
Сегодня при обширном производстве описанного вида аккумулятора используют такие три вида сырья катодной природы:
- Кобальт литий и производные от никелата лития твердые растворы.
- Шпинель из лития и марганца.
- Феррофосфат лития.
Аккумуляторы с литий-ионным наполнителем имеют существенные преимущества в сравении с их сородичами. Это низкие показатели
TeslaModel S: взгляд изнутри
Компания «Тесла Моторс» создает популярные «экологичные» электромобили, которым присущи специфические свойства, делающие машины популярнее с каждым днем. Одной из составляющих успеха продуктов компании являются батареи литий-ионной природы, размещенные в электроавто.
Каково же строение источника питания Тесла?
Для начала стоит отметить, что вся сборка аккумулятора характеризуется повышенной плотностью и точностью сочетания составляющих. Батарея имеет 16 составляющих – блоков параллельного соединения, огражденных пластинами из металла и пластиковой защитой батареи от воды. Каждый блок аккумулятора имеет разделенные на шесть групп 74 составляющих компонента, похожих на привычные пальчиковые батарейки. Схема их размещения и принцип работы держатся в строжайшем секрете!
Электрод с положительным зарядом – это графит, а с отрицательным – никель, кобальт и оксидный алюминий.
Наимощнейший из подобных аккумуляторов сложен из 7104 похожих батарей. Имеет вес 540 кг, длину – 2м 10см, ширину – 1м 50см и 15 см толщину. Энергия, вырабатываемая одним из 16 блоком, равна продуцируемой сотней аккумуляторов портативных компьютеров.
При производстве аккумуляторов Тесла используют детали, созданные в Мексике, Китайской народной республике и Индии. Конечная работа производится в США. Гарантия, предоставляемая компанией, значительна: до 8 лет.
В статье описан состав наиболее распространенных источников питания для двигателей электромобилей. Надеемся, информация будет полезной для Вас!
