Baterii de nouă generație pentru vehicule electrice. Noutăți din lumea dezvoltării bateriilor

• Traducere

În ultimii ani, am auzit adesea că aproape - și umanitatea va primi baterii care vor putea alimenta gadgeturile noastre timp de săptămâni sau chiar luni, fiind în același timp foarte compacte și cu încărcare rapidă. Dar lucrurile sunt încă acolo. De ce nu au apărut încă bateriile mai eficiente și ce evoluții există în lume, citiți sub tăietură.

Astăzi, o serie de startup-uri sunt aproape de a crea baterii compacte sigure, cu costuri de stocare a energiei de aproximativ 100 USD per kWh. Acest lucru ar rezolva problema alimentării cu energie 24/7 și, în multe cazuri, ar trece la surse de energie regenerabilă și, în același timp, ar reduce greutatea și costul vehiculelor electrice.

Dar toate aceste evoluții se apropie extrem de lent de nivelurile comerciale, ceea ce nu permite accelerarea tranziției de la combustibilii fosili la sursele regenerabile. Chiar și Elon Musk, care iubește promisiunile îndrăznețe, a fost forțat să admită că divizia sa de automobile îmbunătățește treptat bateriile cu litiu-ion, mai degrabă decât să creeze tehnologii inovatoare.

Mulți dezvoltatori cred că bateriile viitoare vor avea o formă, structură și compoziție chimică foarte diferite în comparație cu litiu-ion, care în ultimul deceniu a înlocuit alte tehnologii de pe multe piețe.

Fondatorul SolidEnergy Systems, Qichao Hu, care dezvoltă o baterie litiu-metal de zece ani (anodul este metal, nu grafit, ca în litiu-ion tradițional), susține că principala problemă în crearea de noi tehnologii de stocare a energiei este ca odata cu imbunatatirea unui parametru, ceilalti se inrautatesc. În plus, astăzi există atât de multe evoluții, ai căror autori își susțin cu voce tare superioritatea, încât este foarte greu pentru startup-uri să convingă potențialii investitori și să strângă suficiente fonduri pentru a continua cercetarea.

Incarcator Bioo

Imaginați-vă plantații întregi în care fiecare copac este plantat deasupra unui astfel de dispozitiv, doar mai mari și mai puternici. Aceasta va furniza energie „gratuită” caselor din jur și va fi un motiv imperios pentru a proteja pădurile de defrișări.

Baterii cu nanofire de aur

Nanospecialiștii de mii de ori mai subțiri decât părul uman promit un viitor strălucit. În dezvoltarea lor, oamenii de știință au folosit fire de aur într-o teacă de dioxid de mangan, care sunt plasate într-un electrolit asemănător unui gel. Acest lucru împiedică ruperea nanofirurilor cu fiecare ciclu de încărcare.

Baterii cu magneziu

Baterii cu stare solidă

Ei sunt lipsiți de acest dezavantaj stare solidă baterii litiu-ion, care sunt considerate una dintre cele mai promițătoare astăzi. În special, dezvoltatorii Toyota au publicat o lucrare științifică în care și-au descris experimentele cu conductori superionici cu sulfuri. Dacă reușesc, atunci bateriile vor fi create la nivel de supercondensatori - vor fi complet încărcate sau descărcate în doar șapte minute. Ideal pentru vehicule electrice. Și datorită structurii cu stare solidă, astfel de baterii vor fi mult mai stabile și mai sigure decât bateriile moderne litiu-ion. Intervalul lor de temperatură de funcționare se va extinde, de asemenea, de la –30 la +100 de grade Celsius.

Oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, în parteneriat cu Samsung, au dezvoltat și baterii cu stare solidă care depășesc bateriile litiu-ion de astăzi. Sunt mai sigure, consumul lor de energie este cu 20-30% mai mare și, în plus, pot rezista la sute de mii de cicluri de reîncărcare. În plus, nu sunt periculoase pentru incendiu.

Celule de combustibil

Baterii auto grafen

Capacitatea Grabatului de 2,3 volți este enormă: aproximativ 1000 Wh/kg. Pentru comparație, cele mai bune exemple de baterii litiu-ion au un nivel de 180 Wh/kg.

Micro-supercondensatoare fabricate cu laser

Oamenii de știință de la Universitatea Rice au făcut progrese în dezvoltarea micro-supercondensatorilor. Unul dintre principalele dezavantaje ale tehnologiei este costul ridicat de fabricație, dar utilizarea unui laser poate duce la o reducere semnificativă a costurilor. Electrozii pentru condensatori sunt tăiați cu laser dintr-o foaie de plastic, ceea ce reduce foarte mult intensitatea muncii de producție. Aceste baterii se pot încărca de 50 de ori mai repede decât bateriile cu litiu-ion și se pot descărca mai lent decât supercondensatorii folosiți astăzi. În plus, sunt de încredere, în cursul experimentelor au continuat să funcționeze chiar și după 10 mii de îndoiri.

Baterii cu ioni de sodiu

Un grup de cercetători francezi și companii RS2E a dezvoltat baterii de laptop cu ioni de sodiu care folosesc sare obișnuită. Principiul de funcționare și procesul de fabricație sunt ținute secrete. Capacitatea unei baterii de 6,5 centimetri este de 90 Wh / kg, ceea ce este comparabil cu bateriile de masă litiu-ion, dar nu poate rezista la mai mult de 2 mii de cicluri de încărcare.

Acumulatoare de spumă

Încărcare rapidă de mare capacitate "nano-gălbenuș"

O altă dezvoltare a Institutului de Tehnologie din Massachusetts - nanoparticule pentru baterii: o coajă goală din dioxid de titan, în interiorul căreia (la fel ca gălbenușul dintr-un ou) se află un material de umplutură din pudră de aluminiu, acid sulfuric și oxisulfat de titan. Dimensiunile umpluturii pot varia independent de carcasă. Utilizarea unor astfel de particule a făcut posibilă triplarea capacității bateriilor moderne, iar durata unei încărcări complete a fost redusă la șase minute. Rata de degradare a bateriei a scăzut și ea. Cireș pe tort - cost de producție scăzut și ușurință de scalare.

Baterie cu ioni de aluminiu cu încărcare ultra-rapidă

Baterie Alfa - două săptămâni pe apă

Baterii care pot fi pliate ca hârtie

uBeam - încărcați prin aer

uBeam este un concept interesant pentru transmiterea energiei către un dispozitiv mobil folosind ultrasunete. Încărcătorul emite unde ultrasonice, care sunt captate de un receptor de pe gadget și transformate în energie electrică. Aparent, invenția se bazează pe efectul piezoelectric: receptorul rezonează sub influența ultrasunetelor, iar vibrațiile sale generează energie.

Oamenii de știință de la Universitatea Queen Mary din Londra au urmat o cale similară. Ei au creat un prototip de smartphone care se încarcă pur și simplu din cauza zgomotelor externe, inclusiv a vocilor oamenilor.

StoreDot

Panou solar transparent

Un an mai târziu, în 2014, Tag Heuer a anunțat o nouă versiune a telefonului său de prezentare Tag Heuer Meridiist Infinite, care urma să aibă un panou solar transparent între sticla exterioară și afișajul în sine. Adevărat, nu este clar dacă a venit la producție.

Etichete: Adăugați etichete

În urmă cu peste 200 de ani, prima baterie din lume a fost creată de fizicianul german Wilhelm Ritter. Comparativ cu bateria deja existentă a lui A. Volta în acel moment, dispozitivul de stocare al lui Wilhelm putea fi încărcat și descărcat în mod repetat. De-a lungul a două secole, bateria de electricitate s-a schimbat foarte mult, dar spre deosebire de „roată”, aceasta continuă să fie inventată până în zilele noastre. Astăzi, noile tehnologii în producția de baterii sunt dictate de apariția celor mai noi dispozitive care necesită alimentare autonomă. Gadget-uri mai noi și mai puternice, vehicule electrice, drone zburătoare - toate aceste dispozitive necesită baterii mai mici, mai ușoare, dar mai încăpătoare și mai durabile.

Dispozitivul de bază al bateriei poate fi descris în două cuvinte - este electrozi și electroliți. Din materialul electrozilor și compoziția electrolitului depind caracteristicile bateriei și se determină tipul acesteia. În prezent, există peste 33 de tipuri de surse de alimentare reîncărcabile, dar cele mai frecvent utilizate sunt:

• acid de plumb;
• nichel-cadmiu;
• hidrură de nichel metalic;
• litiu-ion;
• polimer de litiu;
• nichel-zinc.

Lucrarea oricăruia dintre ele constă într-o reacție chimică reversibilă, adică reacția care are loc în timpul descărcării este restabilită în timpul încărcării.

Domeniul de aplicare al bateriilor este destul de larg si, in functie de tipul de aparat care functioneaza de pe acesta, bateriei i se impun anumite cerinte. De exemplu, pentru gadget-uri, ar trebui să fie ușor, în general minim și să aibă o capacitate suficient de mare. Pentru o unealtă electrică sau o dronă zburătoare, curentul de recul este important, deoarece consumul de curent electric este destul de mare. În același timp, există cerințe care se aplică tuturor bateriilor - acestea sunt capacitatea mare și resursele ciclurilor de încărcare.

Oamenii de știință din întreaga lume lucrează la această problemă, se desfășoară o mulțime de cercetări și teste. Din păcate, multe dintre eșantioane, care au prezentat rezultate electrice și operaționale excelente, s-au dovedit a fi prea costisitoare din punct de vedere al costurilor și nu au fost introduse în producția de masă. Din punct de vedere tehnic, argintul și aurul devin cele mai bune materiale pentru crearea bateriilor, iar din punct de vedere economic, prețul unui astfel de produs nu va fi disponibil consumatorului. În același timp, căutarea de noi soluții nu se oprește, iar bateria litiu-ion a devenit prima descoperire semnificativă.

A fost introdus pentru prima dată în 1991 de compania japoneză Sony. Bateria a fost caracterizată prin densitate mare și autodescărcare scăzută. În același timp, avea și dezavantaje.

Prima generație de astfel de surse de alimentare a fost explozivă. În timp, dendridele s-au acumulat pe anod, ceea ce a dus la un scurtcircuit și la incendiu. În procesul de îmbunătățire din generația următoare, a fost folosit un anod de grafit și acest dezavantaj a fost eliminat.

Al doilea dezavantaj a fost efectul de memorie. Dacă este încărcată continuu, bateria își va pierde capacitatea. Munca de eliminare a acestei deficiențe a fost completată de o nouă tendință spre miniaturizare. Dorința de a crea smartphone-uri ultra-subțiri, ultrabook-uri și alte dispozitive a necesitat știință pentru a dezvolta o nouă sursă de energie. În plus, bateria litiu-ion deja învechită nu a satisfăcut nevoile modelatorilor, care aveau nevoie de o nouă sursă de energie electrică cu o densitate mult mai mare și un curent de recul mare.

Drept urmare, în modelul cu ioni de litiu a fost folosit un electrolit polimeric, iar efectul a depășit toate așteptările.

Modelul îmbunătățit nu numai că era lipsit de efectul de memorie, dar era de multe ori superior predecesorului său din toate punctele de vedere. Pentru prima dată, a fost posibil să se creeze o baterie cu o grosime de numai 1 mm. Mai mult, formatul său ar putea fi foarte divers. Astfel de baterii au început să fie la mare căutare atât în ​​rândul modelatorilor, cât și în rândul producătorilor de telefoane mobile.

Dar mai existau dezavantaje. Elementul s-a dovedit a fi periculos de incendiu, când a fost reîncărcat, s-a încălzit și s-a putut aprinde. Bateriile moderne din polimer au un circuit anti-supraîncărcare încorporat. De asemenea, este recomandat să le încărcați numai cu încărcătoare speciale furnizate cu kit-ul sau modele similare.

O caracteristică la fel de importantă a unei baterii este costul acesteia. Aceasta este cea mai mare problemă în dezvoltarea bateriilor astăzi.

Puterea vehiculului electric

Tesla Motors creează baterii folosind noi tehnologii bazate pe componente ale mărcii Panasonic. Secretul nu este dezvăluit în cele din urmă, dar rezultatul testului mulțumește. Eco-mașina Tesla Model S, echipată cu o baterie de doar 85 kWh, a parcurs puțin peste 400 km la o singură încărcare. Desigur, lumea nu este lipsită de curioși, așa că una dintre aceste baterii, în valoare de 45.000 USD, a fost totuși deschisă.

Înăuntru erau o mulțime de celule Panasonic litiu-ion. Totodată, autopsia nu a dat toate răspunsurile pe care mi-aș dori să le primesc.

Tehnologii viitoare

În ciuda unei perioade lungi de stagnare, știința se află în pragul unei mari descoperiri. Este foarte posibil ca mâine telefonul mobil să funcționeze o lună fără reîncărcare, iar mașina electrică să parcurgă 800 de km la o singură încărcare.

Nanotehnologie

Oamenii de știință de la Universitatea din California de Sud susțin că înlocuirea anozilor de grafit cu fire de siliciu cu un diametru de 100 nm va crește capacitatea bateriei de 3 ori, iar timpul de încărcare va fi redus la 10 minute.

La Universitatea Stanford, a fost propus un tip fundamental nou de anozi. Nanofire de carbon poroase acoperite cu sulf. Potrivit acestora, o astfel de sursă de energie acumulează de 4-5 ori mai multă energie electrică decât o baterie Li-ion.

Omul de știință american David Kizilus a spus că bateriile din cristal de magnetit ar fi nu numai mai capabile, ci și relativ mai ieftine. La urma urmei, aceste cristale pot fi obținute din dinții unei moluște coajă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Washington privesc lucrurile într-un mod mai practic. Ei au patentat deja noi tehnologii de baterii care folosesc un anod de staniu în loc de un electrod de grafit. Orice altceva nu se va schimba, iar bateriile noi le pot înlocui cu ușurință pe cele vechi din gadgeturile noastre obișnuite.

Revoluția este astăzi

Mașini electrice din nou. În timp ce acestea sunt încă inferioare mașinilor în putere și kilometraj, dar acest lucru nu este pentru mult timp. Așa spun reprezentanții corporației IBM, care au propus conceptul de baterii litiu-aer. Mai mult, o nouă sursă superioară în toți parametrii este promisă a fi prezentată consumatorului în acest an.

Și astăzi vom vorbi despre cele imaginare - cu o capacitate specifică gigantică și încărcare instant. Știrile despre astfel de evoluții apar cu o regularitate de invidiat, dar viitorul nu a sosit încă și folosim în continuare bateriile litiu-ion care au apărut la începutul deceniului anterior, sau analogii lor puțin mai avansați litiu-polimer. Deci, care este problema, dificultățile tehnologice, interpretarea greșită a cuvintelor oamenilor de știință sau altceva? Să încercăm să ne dăm seama.

Urmărirea vitezei de încărcare

Unul dintre parametrii bateriei pe care oamenii de știință și marile companii încearcă în mod constant să-i îmbunătățească este viteza de încărcare. Cu toate acestea, nu va fi posibilă creșterea acestuia la infinit nici din cauza legilor chimice ale reacțiilor care au loc în baterii (mai ales că dezvoltatorii bateriilor cu ioni de aluminiu au declarat deja că acest tip de baterie poate fi încărcat complet într-o secundă). ), ci din cauza limitărilor fizice. Să presupunem că avem un smartphone cu o baterie de 3000 mAh și suport pentru încărcare rapidă. Puteți încărca complet un astfel de gadget într-o oră cu un curent mediu de 3 A (în medie, deoarece tensiunea se modifică în timpul încărcării). Cu toate acestea, dacă vrem să obținem o încărcare completă în doar un minut, avem nevoie de o putere curentă de 180 A fără a lua în considerare diferitele pierderi. Pentru a încărca dispozitivul cu un astfel de curent, veți avea nevoie de un fir cu un diametru de aproximativ 9 mm - de două ori mai gros decât smartphone-ul în sine. Da, și un curent de 180 A la o tensiune de aproximativ 5 V, un încărcător convențional nu va putea să dea afară: proprietarii de smartphone-uri vor avea nevoie de un convertor de curent de impulsuri ca cel prezentat în fotografia de mai jos.

O alternativă la creșterea amperajului este creșterea tensiunii. Dar este, de regulă, fix, iar pentru bateriile litiu-ion este de 3,7 V. Desigur, poate fi depășit - încărcarea folosind tehnologia Quick Charge 3.0 vine cu o tensiune de până la 20 V, dar o încercare de încărcare bateria cu o tensiune de aproximativ 220 V este inutilă nu va duce la bine și nu este posibilă rezolvarea acestei probleme în viitorul apropiat. Bateriile moderne pur și simplu nu pot folosi această tensiune.

Acumulatori eterni

Desigur, acum nu vorbim despre o „mașină cu mișcare perpetuă”, ci despre baterii cu o durată lungă de viață. Bateriile moderne litiu-ion pentru smartphone-uri pot rezista la maximum doi ani de utilizare activă a dispozitivelor, după care capacitatea lor scade constant. Posesorii de smartphone-uri cu baterii detașabile sunt puțin mai norocoși decât alții, dar în acest caz merită să vă asigurați că bateria a fost produsă recent: bateriile litiu-ion se degradează chiar și atunci când nu sunt folosite.

Oamenii de știință de la Universitatea Stanford și-au propus soluția la această problemă: să acopere electrozii tipurilor existente de baterii litiu-ion cu un material polimeric cu adaos de nanoparticule de grafit. Conform ideii oamenilor de știință, acest lucru va proteja electrozii, care în mod inevitabil devin acoperiți cu microfisuri în timpul funcționării, iar aceleași microfisuri din materialul polimeric se vor vindeca de la sine. Principiul acestui material este similar cu tehnologia folosită la smartphone-ul LG G Flex cu o husă din spate cu auto-vindecare.

Trecerea la a treia dimensiune

În 2013, s-a raportat că cercetătorii de la Universitatea din Illinois dezvoltă un nou tip de baterii litiu-ion. Oamenii de știință au afirmat că puterea specifică a unor astfel de baterii va fi de până la 1000 mW / (cm * mm), în timp ce puterea specifică a bateriilor convenționale litiu-ion variază între 10-100 mW / (cm * mm). Am folosit doar astfel de unități de măsură, deoarece vorbim de structuri destul de mici, cu o grosime de zeci de nanometri.

În loc de anodul plat și catodul folosit în bateriile tradiționale Li-Ion, oamenii de știință au propus utilizarea structurilor tridimensionale: o rețea cristalină de sulfură de nichel pe nichel poros ca anod și dioxid de litiu mangan pe nichel poros ca catod.

În ciuda tuturor îndoielilor cauzate de lipsa parametrilor exacti ai noilor baterii din primele comunicate de presă, precum și de prototipuri care nu au fost încă prezentate, noul tip de baterii este încă real. Acest lucru este confirmat de mai multe articole științifice pe această temă, publicate în ultimii doi ani. Cu toate acestea, dacă astfel de baterii devin disponibile pentru utilizatorii finali, acest lucru va fi cu mult timp în urmă.

Se încarcă prin ecran

Oamenii de știință și inginerii încearcă să extindă durata de viață a gadgeturilor noastre nu numai căutând noi tipuri de baterii sau sporind eficiența energetică a acestora, ci și în moduri destul de neobișnuite. Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan au propus încorporarea panourilor solare transparente direct într-un ecran. Deoarece principiul de funcționare a unor astfel de panouri se bazează pe absorbția radiației solare de către acestea, pentru a le face transparente, oamenii de știință au trebuit să meargă la un truc: materialul panourilor de un nou tip absoarbe doar radiația invizibilă (infraroșu și ultraviolete), după care fotonii, reflectați de marginile largi ale sticlei, sunt absorbiți de dungi înguste panouri solare de tip tradițional amplasate de-a lungul marginilor sale.

Principalul obstacol în calea introducerii unei astfel de tehnologii este eficiența scăzută a unor astfel de panouri - doar 1% față de 25% din panourile solare tradiționale. Acum oamenii de știință caută modalități de a crește eficiența cu cel puțin 5%, dar cu greu se poate aștepta o soluție rapidă la această problemă. Apropo, o tehnologie similară a fost brevetată recent de Apple, dar încă nu se știe unde exact producătorul va plasa panouri solare în dispozitivele sale.

Înainte de asta, ne referim la o baterie reîncărcabilă sub cuvintele „baterie” și „acumulator”, dar unii cercetători cred că sursele de tensiune de unică folosință pot fi folosite în gadgeturi. Ca baterii care ar putea funcționa fără reîncărcare sau altă întreținere timp de câțiva ani (sau chiar câteva decenii), oamenii de știință de la Universitatea din Missouri au propus utilizarea RTG-urilor - generatoare termoelectrice cu radioizotopi. Principiul de funcționare al RTG se bazează pe conversia căldurii eliberate în timpul decăderii radio în electricitate. Multe astfel de instalații sunt cunoscute pentru utilizarea lor în spațiu și în locuri greu accesibile de pe Pământ, dar în Statele Unite, bateriile radioizotopi miniaturale au fost folosite și în stimulatoare cardiace.

Lucrările la un tip îmbunătățit de astfel de baterii au început din 2009 și au fost prezentate chiar și prototipuri ale unor astfel de baterii. Dar nu vom putea vedea în viitorul apropiat baterii cu radioizotopi în smartphone-uri: sunt scumpe de fabricat și, în plus, multe țări au restricții stricte privind producția și circulația materialelor radioactive.

Celulele cu hidrogen pot fi folosite și ca baterii de unică folosință, dar nu pot fi utilizate pe smartphone-uri. Bateriile cu hidrogen sunt consumate destul de repede: deși dispozitivul dvs. va dura mai mult pe un cartuș decât la o singură încărcare a unei baterii obișnuite, acestea vor trebui înlocuite periodic. Totuși, acest lucru nu împiedică utilizarea bateriilor cu hidrogen în vehiculele electrice și chiar a bateriilor externe: până acum acestea nu sunt dispozitive de masă, dar nu mai sunt prototipuri. Iar Apple, conform zvonurilor, dezvoltă deja un sistem de reumplere a cartuşelor cu hidrogen, fără a le înlocui pentru a fi utilizate pe viitoarele iPhone-uri.

Ideea că o baterie cu o capacitate specifică mare poate fi creată pe baza de grafen a fost prezentată încă din 2012. Și astfel, la începutul acestui an, în Spania, a fost anunțată începerea construcției de către Graphenano a unei fabrici de producție de baterii grafen-polimer pentru vehicule electrice. Noul tip de baterii este de aproape patru ori mai ieftin de fabricat decât bateriile tradiționale litiu-polimer, are o capacitate specifică de 600 Wh / kg și va fi posibilă încărcarea unei astfel de baterii de 50 kWh în doar 8 minute. Adevărat, așa cum am spus la început, acest lucru va necesita o putere de aproximativ 1 MW, astfel încât un astfel de indicator este realizabil doar în teorie. Nu este raportat exact momentul în care fabrica va începe să producă primele baterii grafen-polimer, dar este foarte posibil ca Volkswagen să fie printre cumpărătorii produselor sale. Compania a anunțat deja planuri de a produce vehicule electrice cu o autonomie de până la 700 de kilometri de la o singură încărcare a bateriei până în 2018.

În ceea ce privește dispozitivele mobile, până acum utilizarea bateriilor grafen-polimer în acestea este îngreunată de dimensiunile mari ale acestor baterii. Să sperăm că cercetările în acest domeniu vor continua, deoarece bateriile grafen-polimer sunt unul dintre cele mai promițătoare tipuri de baterii care pot apărea în următorii ani.

Deci, de ce, în ciuda optimismului oamenilor de știință și a știrilor care apar în mod regulat despre descoperiri în domeniul conservării energiei, vedem acum stagnare? În primul rând, ideea sunt așteptările noastre mari, care sunt alimentate doar de jurnaliști. Vrem să credem că o revoluție în lumea bateriilor este pe cale să aibă loc și vom obține o baterie cu încărcare în mai puțin de un minut, și cu o durată de viață aproape nelimitată, de la care un smartphone modern cu opt nuclee. procesorul va funcționa cel puțin o săptămână. Dar astfel de descoperiri, din păcate, nu se întâmplă. Introducerea oricărei noi tehnologii în producția de masă este precedată de mulți ani de cercetare științifică, testare a probelor, dezvoltarea de noi materiale și procese tehnologice și alte lucrări care necesită mult timp. La urma urmei, aceleași baterii litiu-ion au fost nevoie de aproximativ cinci ani pentru a trece de la prototipuri de inginerie la dispozitive finite care ar putea fi folosite în telefoane.

Prin urmare, trebuie doar să avem răbdare și să nu luăm la inimă știrile despre noile elemente alimentare. Cel puțin până când există vești despre lansarea lor în producția de masă, când nu există nicio îndoială cu privire la viabilitatea noii tehnologii.

Mașinile electrice trebuie să rezolve o mulțime de probleme de mediu. Dacă sunt încărcate cu energie electrică din surse regenerabile, acestea vor fi practic inofensive pentru atmosferă. Desigur, dacă nu țineți cont de producția lor complexă tehnologic. Și să mergi pe tracțiune electrică fără zumzetul obișnuit al motorului este doar mai plăcut. Necazul constant din cauza stării de încărcare a bateriei este încă o bătaie de cap. La urma urmei, dacă scade la zero și nu există o singură stație de încărcare în apropiere, atunci problemele nu vor fi evitate.

Există șase factori decisivi pentru succesul mașinilor electrice care sunt alimentate cu baterii reîncărcabile. În primul rând, vorbim de capacitate - adică de câtă energie electrică poate stoca bateria, de cantitatea de utilizare ciclică a bateriei - adică de „încărcare-descărcare” pe care o poate suporta bateria înainte de a eșua și de reîncărcare. timp - adică cât timp va trebui să aștepte șoferul, încărcând mașina pentru a conduce mai departe.

Fiabilitatea bateriei în sine este la fel de importantă. Să spunem dacă se poate descurca cu o excursie în munți sau cu o excursie în sezonul cald de vară. Desigur, atunci când decideți dacă să cumpărați o mașină electrică, ar trebui să luați în considerare și un astfel de factor precum numărul de stații de încărcare și prețul bateriilor.

Cât de departe poți merge cu baterii?

Mașinile electrice de pasageri de pe piață acoperă distanțe de la 150 la mai mult de 200 de kilometri cu o singură încărcare. În principiu, aceste distanțe pot fi mărite prin dublarea sau triplarea numărului de baterii. Dar, în primul rând, acum ar fi atât de scump încât cumpărarea unei mașini electrice ar fi insuportabilă, iar în al doilea rând, mașinile electrice în sine ar deveni mult mai grele, așa că ar trebui proiectate bazându-se pe sarcini grele. Și asta contrazice obiectivele urmărite de producătorii de mașini electrice și anume ușurința în construcție.

De exemplu, Daimler a introdus recent un camion electric care poate parcurge până la 200 de kilometri cu o singură încărcare. Cu toate acestea, bateria în sine cântărește cel puțin două tone. Dar motorul este mult mai ușor decât cel al unui camion cu motor diesel.

Ce baterii domină piața?

Bateriile moderne, fie că sunt telefoane mobile, laptopuri sau mașini electrice, sunt aproape exclusiv variante ale așa-numitelor baterii litiu-ion. Vorbim despre o varietate de tipuri de baterii, în care litiu de metal alcalin se găsește atât în ​​electrozii pozitivi, cât și negativi, și într-un lichid - așa-numitul electrolit. De obicei, electrodul negativ este realizat din grafit. În funcție de ce alte materiale sunt utilizate în electrodul pozitiv, există, de exemplu, baterii cu litiu-cobalt (LiCoO2), litiu-titan (Li4Ti5O12) și litiu-fier-fosfat (LiFePO4).

Bateriile cu litiu polimer joacă un rol deosebit. Aici, un plastic asemănător unui gel acționează ca un electrolit. Aceste baterii sunt cele mai puternice de pe piață astăzi, cu o capacitate de energie de până la 260 de wați-oră pe kilogram. Restul bateriilor litiu-ion sunt capabile de maximum 140 până la 210 wați-oră pe kilogram.

Și dacă comparați tipurile de baterii?

Bateriile litiu-ion sunt foarte scumpe, în primul rând din cauza valorii mari de piață a litiului. Cu toate acestea, există multe avantaje față de tipurile anterioare de baterii fabricate din plumb și nichel.

În plus, bateriile litiu-ion se încarcă destul de repede. Aceasta înseamnă că, cu curent normal de la rețea, mașina electrică poate fi reîncărcată în două până la trei ore. Și la stațiile speciale de încărcare rapidă, poate dura o oră.

Tipurile mai vechi de baterii nu au astfel de avantaje și pot stoca mult mai puțină energie. Bateriile pe bază de nichel au o capacitate de energie de 40 până la 60 de wați-oră pe kilogram. Proprietățile sunt și mai rele în bateriile plumb-acid - capacitatea de energie a acestora este de aproximativ 30 de wați-oră pe kilogram. Cu toate acestea, sunt mult mai ieftine și pot rezista la mulți ani de funcționare fără probleme.

Cât durează bateriile moderne?

Mulți oameni își amintesc așa-numitul efect de memorie al bateriei de stocare în bateriile vechi. S-a manifestat mai ales în bateriile cu nichel. Apoi, dacă cineva s-a gândit să încarce o șurubelniță sau o baterie de laptop, deși bateria era aproape la jumătate încărcată, capacitatea de a stoca energie electrică a fost surprinzător de redusă dramatic. Prin urmare, înainte de fiecare proces de încărcare, energia trebuia consumată complet. Pentru vehiculele electrice, acest lucru ar fi un dezastru, deoarece acestea trebuie reîncărcate exact când se află la o distanță adecvată de stația de încărcare, și nu atunci când bateria se descarcă.

Dar bateriile litiu-ion nu au acest „efect de memorie”. Producătorii promit până la 10.000 de cicluri de încărcare-descărcare și 20 de ani de funcționare fără probleme. În același timp, experiența consumatorului mărturisește adesea altceva - bateriile de laptop „mor” după câțiva ani de funcționare. În plus, factorii externi, cum ar fi temperaturile extreme sau o descărcare sau o supraîncărcare accidentală, pot deteriora permanent bateriile. Foarte importantă în bateriile moderne de stocare este funcționarea neîntreruptă a electronicii care controlează procesul de machiaj.

Sunt superacumulatoarele doar o frază goală?

Experții de la Centrul de Cercetare Jülich lucrează la dezvoltarea bateriilor cu siliciu-aer. Ideea acumulatorilor de aer nu este chiar atât de nouă. Așadar, mai devreme au încercat să dezvolte baterii litiu-aer, în care electrodul pozitiv ar fi format dintr-o rețea de carbon nanocristalină. În acest caz, electrodul în sine nu participă la procesul electrochimic, ci acționează doar ca un conductor pe suprafața căruia se reduce oxigenul.

Bateriile silicon-aer funcționează în același mod. Acestea au însă avantajul că sunt compuse din siliciu foarte ieftin, care se găsește în cantități aproape nelimitate în natură sub formă de nisip. În plus, siliciul este utilizat în mod activ în tehnologia semiconductoarelor.

Pe lângă costul de producție potențial scăzut, caracteristicile tehnice ale acumulatorilor de aer sunt și ele, la prima vedere, destul de atractive. La urma urmei, ei pot atinge o astfel de capacitate de energie care depășește indicatorii de astăzi de trei ori, sau chiar de zece ori.

Cu toate acestea, aceste evoluții sunt încă departe de a intra pe piață. Cea mai mare problemă este „durata de viață” nesatisfăcător de scurtă a bateriilor cu aer. Este cu mult sub 1000 de cicluri de încărcare-descărcare. Experimentul cercetătorilor de la Jülich dă ceva speranțe. Ei au descoperit că durata de viață a unor astfel de baterii poate fi crescută semnificativ dacă electrolitul din aceste baterii este umplut în mod regulat. Dar chiar și cu astfel de soluții tehnice, aceste baterii nu vor atinge nici măcar o fracțiune din durata de viață pe care o au bateriile litiu-ion de astăzi.

Ecologia consumului Știință și tehnologie: Viitorul transportului electric depinde în mare măsură de îmbunătățirea bateriilor - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie.

Viitorul vehiculelor electrice depinde în mare măsură de bateriile îmbunătățite - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie. Oamenii de știință au obținut deja unele rezultate. O echipă de ingineri a creat baterii cu litiu-oxigen care nu risipesc energie și pot dura zeci de ani. Și un om de știință australian a dezvăluit un supercondensator pe bază de grafen care poate fi încărcat de un milion de ori fără a pierde eficiența.

Bateriile cu litiu-oxigen sunt ușoare și generează multă energie și ar putea fi accesorii ideale pentru vehiculele electrice. Dar astfel de baterii au un dezavantaj semnificativ - se uzează rapid și eliberează prea multă energie sub formă de căldură irosită. O nouă dezvoltare a oamenilor de știință de la MIT, Laboratorul Național Argonne și Universitatea din Peking promite să rezolve această problemă.

Dezvoltate de o echipă de ingineri, bateriile cu litiu-oxigen folosesc nanoparticule care conțin litiu și oxigen. În acest caz, când stările se schimbă, oxigenul este reținut în interiorul particulei și nu revine în faza gazoasă. Acest lucru este în contrast cu bateriile litiu-aer, care preiau oxigenul din aer și îl eliberează în atmosferă în timpul unei reacții inverse. Noua abordare vă permite să reduceți pierderile de energie (cantitatea de tensiune electrică este redusă de aproape 5 ori) și să măriți durata de viață a bateriei.

Tehnologia litiu-oxigen este, de asemenea, bine adaptată la condițiile din lumea reală, spre deosebire de sistemele litiu-aer, care se deteriorează atunci când sunt expuse la umiditate și CO2. În plus, bateriile cu litiu și oxigen sunt protejate de supraîncărcare - de îndată ce există prea multă energie, bateria trece la un alt tip de reacție.

Oamenii de știință au efectuat 120 de cicluri de încărcare-descărcare, în timp ce performanța a scăzut cu doar 2%.

Până acum, oamenii de știință au creat doar un prototip de baterie, dar în termen de un an intenționează să dezvolte un prototip. Acest lucru nu necesită materiale scumpe, iar producția este foarte asemănătoare cu producția de baterii tradiționale litiu-ion. Dacă proiectul este implementat, atunci în viitorul apropiat, vehiculele electrice vor stoca de două ori mai multă energie pentru aceeași masă.

Un inginer de la Universitatea Tehnologică Swinburne din Australia a rezolvat o altă problemă cu bateriile - cât de repede se reîncarcă. Supercondensatorul dezvoltat de el se încarcă aproape instantaneu și poate fi folosit mulți ani fără pierderi de eficiență.

Han Lin a folosit grafen, unul dintre cele mai rezistente materiale până în prezent. Datorită structurii sale asemănătoare fagurelor, grafenul are o suprafață mare pentru stocarea energiei. Omul de știință are napolitane de grafen imprimate 3D - această metodă de producție vă permite, de asemenea, să reduceți costurile și să creșteți scara.

Supercondensatorul creat de omul de știință produce aceeași cantitate de energie pe kilogram de greutate ca o baterie litiu-ion, dar se încarcă în câteva secunde. Mai mult, în loc de litiu, folosește grafen, care este mult mai ieftin. Potrivit lui Han Lin, un supercondensator poate trece prin milioane de cicluri de încărcare fără a pierde calitatea.

Domeniul producției de baterii nu stă pe loc. Frații Kreisel din Austria au creat un nou tip de baterie care cântărește aproape jumătate din mărimea Tesla Model S.

Oamenii de știință norvegieni de la Universitatea din Oslo au inventat o baterie care poate fi alimentată complet. Cu toate acestea, dezvoltarea lor este destinată transportului public urban, care face opriri regulate - la fiecare dintre ele autobuzul va fi reîncărcat și va fi suficientă energie pentru a ajunge la următoarea stație.

Oamenii de știință de la Universitatea din California, Irvine au ajuns aproape de a crea o baterie perpetuă. Ei au dezvoltat o baterie nanofire care poate fi reîncărcată de sute de mii de ori.

Și inginerii de la Universitatea Rice au reușit să creeze unul care funcționează la o temperatură de 150 de grade Celsius fără a pierde eficiența. publicat