Аккумулятор электромобиля

Фактически сегодня электромобили не имеют существенных минусов кроме одного, но глобального – аккумулятора. Именно несовершенство АКБ является причиной других минусов: ограниченного запаса хода и длительного времени заряда. Однако лучшие ученые планеты уже работают над этим вопросом…

Аккумулятор электромобиля – это узел, который умеет накапливать энергию и затем отдавать ее. Однако накопление энергии, т.е. зарядка АКБ, требует немало времени: даже лучшие результаты с 20-30-минутными «быстрыми зарядками» выглядят медленными на фоне заправки автомобиля на АЗС; что уж говорить о зарядке электромобиля от обычной розетки за 8-10 часов. Если необходимо уменьшить время заряда – значит нужно уменьшить и сам аккумулятор, что ведет к сокращению запаса хода электрокара: замкнутый круг!

АКБ электромобили

Сейчас его пытаются разорвать многие компании и гении-самоучки, но что получится в итоге, какое решение будет лучшим – пока сказать сложно. Однако уже наметилось два направления работы: создание совершенно новых конструкций и доработка уже существующих аккумуляторов. С последнего пункта – как более реального – и начнем…

Улучшение существующих АКБ электрокаров

Сегодня в электромобилях чаще всего используются литий-ион аккумуляторы, где катод выполнен из сплава редкоземельных металлов, среди которых обязательно присутствует литий – отсюда и название. Впервые подобные аккумуляторы, с катодом из сплава на основе лития, были созданы еще в 1910-1920-х годах. Однако до стадии готового к продаже продукта идею довела уже компания SONY уже в 1991 году. В тот момент литий-ион АКБ примерно в 4-5 раз превосходила привычный свинцово-кислотный аккумулятор по соотношению емкости на 1 кг веса, а также была лишена вредного «эффекта памяти» относительно АКБ с никелем. Интересно, что уже в 1996-м году был создан и другой тип литий-ион АКБ – со сплавом LiFePO4. На тот момент аккумулятор подобного типа не был физически устойчив (очень боялся тряски и ударов), а также отличался не самой хорошей энергопроводимостью ряда компонентов. Но в «плюсах» у АКБ с катодом LiFePO4 следует отметить отсутствие редкого, дорого, ядовитого кобальта (Со), следствием чего было теоретическое снижение цены и большая безопасность АКБ. Готовые «продуктовые АКБ» типа LiFePO4 появились лишь в 2005-2006 годах, когда удалось победить их все врожденные проблемы. Для этого пришлось покрыть анод слоем тонкого углеродного материала.

батареи электромобили

Итог: аккумуляторы типа LiFePO4 выделяются «зеленым» отношением к природе и общим высоким уровнем безопасности, малой потерей емкости со временем. А повышенное напряжение каждого элемента (3,3В) и его стабильность во время использования (разряда) АКБ позволяет использовать меньшее количество элементов для сборки цельной батареи с заданным нужным напряжением. Главный минус: более низкая удельная емкость «кВтч на 1 кг» – здесь аккумуляторы типа LiFePO4 проигрывают примерно 14% относительно показателей аккумуляторов типа LiCoO2.

Для чего нужен этот экскурс в историю и технику? Для того, чтобы понимать, что происходит внутри аккумулятора электрокара. Для того, чтобы понимать, что «Литий-ион АКБ» на самом деле может быть разной. Классический литий-ион аккумулятор с кобальтом уже уходит «со сцены» ввиду токсичности и дороговизны этого редкоземельного материала. А на смену ему приходят другие типы литиевых аккумуляторов. К примеру, в Nissan Leaf используются аккумуляторы на основе сплава LiMn2O2, их удельная емкость составляет около 80 Вт/кг – т.е. для получения АКБ емкостью 24 кВтч нужно собрать аккумулятор весом около 300 кг.

Аккумуляторы электромобили

Компания Tesla использует аккумулятор, содержащий внутри литий (Li), никель (Ni), кобальт (Co), алюминий (Al) – их удельная емкость равна 85-90 Вт/кг. В будущем Tesla хочет достичь знаковой отметки 100 Вт/кг, в этом поможет оптимизация технологии производства, но не кардинальная смена типа АКБ. Еще пример – компания BYD, которая для всех гибридов и электромобилей (включая и электрические автобусы) использует АКБ типа LiFePO4.

Именно в использовании новых вариантов сплавов, в оптимизации формы и расположения ячеек АКБ, в улучшении системы вентиляции лежит будущее развитие существующих литий-ион аккумуляторов. Эти методы не сулят «прорыва», но обещают постепенное улучшение параметром АКБ. Так, аккумуляторы Samsung SDI получили измененную форму внутренних блоков и уменьшение высоты АКБ (на 20-30% тоньше). Это позволяет создавать более компактные аккумуляторы в сравнении с аккумуляторами стандартного типа сравнимой емкости. А значит – толщина АКБ напрямую повлияет на высоту пола и вместимость салона электромобиля.

АКБ электрокар

Кстати, пока Samsung делится своими планами новых аккумуляторов для электромобилей, его конкурент LG Chem уже завоевывает рынок: эти АКБ можно встретить в электрокарах Tesla Roadster, Chevrolet Bolt, электромобилях и гибридах Audi, Ford, Renault, Nissan. Еще одна разработка – от компании Kreisil Electronic – предусматривает улучшенную систему охлаждения, что должно обеспечить улучшение эффективности работы АКБ в разных температурных режимах (проблема снижения емкости аккумулятора при сильной жаре).

В итоге этот подход сравним с «синицей в руках» из поговорки – здесь различными мелкими улучшениями можно добиваться пусть небольшого, но стабильного роста емкости АКБ при его неизменных размерах и массе. Однако можно ли поймать «журавля в небе»?

Новые радикальные идеи АКБ

Один из перспективных типов аккумуляторов – т.н. графеновые. Однако здесь скорее «идея на слуху», чем реальная реализация готового продукта.
Графен – это новый материал, являющий собой пленку толщиной в один слой атомов углерода, объединившихся в виде 6-угольной звезды. В 2004-м году его изобрел Константин Новоселов, российский ученый, ныне работающий в Великобритании, за что и получил Нобелевскую премию по физике еще в 2010-м году.


Графен можно использовать в транзисторах, сенсорных панелях, для лечения рака. А также – для создания новых аккумуляторов. Ведь графен имеет отличные способности для этого: быстро накапливает энергию (обещают полный заряд АКБ за 10 минут); много хранит (хорошее отношение емкости к весу); не требует охлаждения (низкая теплотворная способность, при правильной конструкции АКБ можно обойтись естественной вентиляцией).

Но и минусов немало. Во-первых, графен очень сложный в производстве. Есть несколько методов производства – химические (к примеру, оксиды графена из определенного химического раствора) или физические (срезание тонкой пленки графита с последующей обработкой) – но любой из них крайне сложен. Во-вторых, «сложно» означает «дорого»: по разным оценкам 1 кв. см графена стоит около $100 млн.! В итоге графен уже несколько раз обещали начать выпускать в промышленных масштабах (последнее обещание прозвучало в 2015 году), но дальше обещаний процесс не пошел.

В тоже время, ходят слухи, что к исследованиям графена подключились две немецкие компании, производящие электрокары – т.е. они верят в будущее аккумуляторов на базе графена. Если это правда, то в будущем эти компании действительно смогут получить аккумулятор, который станет важнейшим «козырем» на рынке электрокаров. Но не ясно когда наступит это будущее.

Другая радикальная идея – литий-воздушный аккумулятор, разработка IBM Battery 500. Здесь обещают запас хода в 500 миль (800 км) и заметное снижение веса. Фактически аккумулятор будет переставлять собой решетку, через которую будет проходить воздух: при зарядке – молекулы кислорода будут ионизироваться, при разряде – проходить через решетку и отдавать заряд. В этом типе АКБ нет ничего сложного, идея хороша и в принципе воплотима «в жизнь». Вопрос лишь в том, что серийные литий-воздушные аккумуляторы нам обещают в 2020-2030-х годах, а к тому времени и традиционные АКБ смогут обеспечить запас хода в 500-800 км.

Из идей, совсем «летающих в облаках», отметим аккумуляторы на основе зубов моллюсков (материал «магнетит»), использование олова в электродах вместо привычного графита, кремниевые пористые нанопроводники. К примеру, последние обещают увеличение удельной (отношение Вт на 1 кг) емкости АКБ в 4-5 раз относительно привычных литий-ион аккумуляторов. Но кремниевые пористые нанопроводники очень хрупкие, они растрескиваются от собственного нагревания и охлаждения в процессе заряда/разряда; плюс они боятся вибрации, ударов – как их можно использовать в электрокарах, которые ездят по дорогам с выбоинами, ямами, буграми?! Зубы моллюсков и олово? Зачем «изобретать велосипед»?! недостаточно просто найти материал, который умеет накапливать энергию. Нужно продумать, как получать этот материал в промышленных масштабах и недорого (вспомните графен), как строить из этого материала аккумуляторы, решить мелкие и неожиданные проблемы.

Однако даже среди радикальных идей есть те, которые реальны уже сейчас. Один из примеров – это потоки жидкости с заряженными частицами (ионы). Воплощение этой идеи показал концепт-кар Quant F с баками для ионных жидкостей (это жидкости, которые состоят их молекул с определенным зарядом «+» или «–»).

При объединении этих жидкостей в химическом реакторе на борту электромобиля результатом будет электроэнергия и жидкость нейтральным зарядом. Плюс такого способа – в скоростной заправке электромобиля: фактически нужно подобно топливу на АЗС заливать в один бак одну жидкость («+»), в другой бак – вторую («–»). Однако минусов хоть отбавляй: необходимость постоянно возить с собой большие баки (концепты Quant имели баки сумарным объемом 350 л или 500 л); зависимость от специальных «ионных АЗС», которых пока вообще нет, а когда появятся – то они будут диктовать цену на жидкость. Да и в целом – это лишь решение вопроса быстрой зарядки АКБ. Если данный вопрос будет решен другим способом и новыми типами АКБ, то необходимость в ионных жидкостях отпадет сама собой.

Вторая радикальная идея, которую можно реализовать уже сегодня, лежит в обустройстве АКБ во внешних панелях электромобиля. Две графитовые панели и слой электролита между ними позволяют создать очень тонкий аккумулятор, который можно строить буквально куда угодно: в крылья, панели дверей, капот, крышу электромобиля. Таким образом, аккумулятор не будет отбирать драгоценный простор у электрокара – ни в днище, ни в багажнике. Минусы данного подхода очевидны – сложность и дороговизна кузовного ремонта в случае ДТП; при этом вероятность повреждения аккумулятора в разы выше, чем при его расположении в днище электромобиля.

Так все-таки – синица в руке или журавль в небе?

Однозначного ответа на этот вопрос нет, нужно заниматься развитием аккумуляторов по двум направлениям. Если говорить о традиционном постепенном развитии АКБ, то нас ждут мелкие, но постоянные улучшения материалов для катода, системы вентиляции, уменьшение габаритов и веса аккумуляторных батарей.

Если говорить о радикально-новых решениях, то здесь наиболее интересными выглядят исследования материала графена. Ведь помимо того, что графен имеет высокую энергетическую емкость, он интересен и своими физическими свойствами: тонкий – это аккумуляторы для панелей кузов; можно сворачивать в трубки – это для улучшения вентиляции. Словом, графен сложен и дорог в производстве (пока), но похоже, что именно здесь можно ждать революции в создании аккумуляторов.