Аннотация
Онищенко И.Д., Калашников В.И. Анализ тенденций развития аккумуляторных источников энергии для электромобиля. Развитие теории и практики применения электромобилей поставило на повестку дня их серийное производство. Для использования электромобилей важным требованием является наличие качественных источников энергии в конструкции самого электромобиля.
Аккумуляторных батареи в электромобиле
Аккумуляторные электромобили представляю собой самый первый вид электромобиля. Еще в конце XIX века были построены первые работоспособные модели. В США их активно использовались вплоть до 20-х годов XX века. В Германии применялись в 30-40 гг. наиболее активно. С 1947 г. широко используются в Англии.
Аккумуляторных батареи оказывают огромное влияние на технико-экономические параметры данного типа электромобилей. Величина желаемого пробега электромобиля на один заряд батареи (запас хода) прямо пропорциональна отношению веса аккумуляторной батареи к полному весу электромобиля. Зависимость веса батареи от грузоподъемности электромобиля значительно выше, чем зависимость веса карбюраторного двигателя от грузоподъемности автомобиля.[1]
Батареи располагаются на шасси электромобиля чаще всего таким образом, чтобы имелась возможность: осуществлять быструю замену батарей аккумуляторов, легкого доступа к выводным клемам и отверстиям для заливки электролита. Для этого, по бокам электромобиля, чаще всего батареи располагают в двух отсеках.[1]
Несовершенство аккумулятора – это единственный, но ощутимый недостаток электромобиля на сегодняшний день. Именно аккумулятор определяет и величину запаса хода, и продолжительность заряда, во время которого электромобиль должен простаивать.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В конце 19 века источником энергии для электромобилей служил свинцово-кислотный аккумулятор, который был изобретён французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. На первых этапах аккумулятор представлял собой пластины из свинца, которые обернуты в тканевый сепаратор и погруженные в раствор серной кислоты.
Свинцово-кислотный аккумулятор обладал существенными преимуществами, даже по сравнению с новыми типами аккумуляторов.[2] Этот экономический оправданный источник энергии, для электромобиля, имеет следующие достоинства:
- простота и низкая стоимость изготовления;
- простота и надежность самой конструкции аккумулятора;
- малый самозаряд аккумулятора;
- простота утилизации аккумулятора после выхода из строя.
Однако на сегодняшний день свинцово-кислотные аккумуляторы применяются там , где их надежность преобладает над такими недостатками как большой вес и необходимость соблюдения цикличности заряда - в качестве источника энергии в электровозах и других видов техники.[2]
Литий-ионные аккумуляторы
Сегодня, для использования в качестве тяговых батарей, применяются литий-ионные аккумуляторы. Именно эти аккумуляторы являются самыми перспективными для электротранспорта. Постоянно улучшаются характеристики, и уменьшается стоимость производства этих аккумуляторов. Так же технология производства всё время совершенствуется.
Рисунок 1 – Общий вид литий ионного аккумулятора для электромобиля
Подобные аккумуляторы были созданы еще в начале XX века, с отрицательным электродом. Только после создания таких материалов, как кобальта и манганат лития, стало возможным применение данного типа аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы в несколько раз превосходили и свинцовые, по удельным энергетическим характеристикам, уже на этапе создания. Первые литий-ионные аккумуляторы обладали очень значительным недостатком, а именно повышенной пожароопасностью и взрывоопасностью. Однако эту проблему решили, когда в качестве материала отрицательного электрода стали применять другие, более дешевые и более стабильные соединения лития. На сегодняшний день наилучшим, с точки зрения стабильности, безопасности и ёмкости, является материал LiFePO4.[3]
Главными преимуществами литий-ионных аккумуляторных батарей являются:
- наибольшая удельная энергия из всех типов аккумуляторов;
- величина самозаряда является одной из наиболее низких и не превышает 5% за месяц;
- напряжение на элементе выше, чем у никель-металлгидридных и никель-кадмиевых, а так же свинцовых аккумуляторов.
Постоянно растущий спрос и дефицитность сырья делают литий-ионные аккумуляторы достаточно дорогими. Зачастую стоимость аккумулятора составляет больше половины стоимости самого электромобиля. Другим отрицательным моментом является их быстрое старение и ухудшения характеристики, даже при хранении. Быстрая зарядка электромобиля - это еще одна не решенная задача. Данные большинства производителей говорят о том, что для полного заряда аккумулятора необходимо 12 часов. При этом дальность поездки 400 - 600 километров. Затем электромобиль необходимо снова заряжать. Существующие специфические режимы зарядки позволяют осуществлять процесс в течение 30 минут. В любом случае это выглядит слишком долго, по сравнению с обычным временем заправки.[3]
Супер конденсаторы на основе графена
Современные реалии говорят о том, что эра электрических автомобилей стремительно приближается. Сегодня только одна технология сдерживать захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энергии. Мировые автопроизводители принимают факт того, что большинство электромобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде, лишь на ограниченную дистанцию.
Рекуперация и повторное использование энергии - это одно из направлений повышения эффективности электромобилей. Разработаны методы возврат такой энергии. Проблема заключается в том, что малая скорость работы аккумуляторной батареи делает рекуперацию энергии не эффективной.[4]
Рисунок 2 – Материал графен
Однако, на сегодняшний день, специалисты предлагают решение проблемы в виде супер конденсаторов разработанных на основе графена. Уже имеются опытные образцы высокоэффективных супер конденсаторов, емкостные параметры которых не уступают литий-ионным аккумуляторным батареям и, которые способны очень быстро накапливать и отдавать электрический заряд. Опытные образцы графеновых супер конденсаторов способны выдерживать, без потери своих рабочих характеристик, многие десятки тысяч рабочих циклов.[4]
Эти показатели получаются из-за особой формы графена. Такая форма была достигнута исследователями путем смешивания частицы окиси графена с гидразином в воде. Затем все это размельчили ультразвуком. Данные порошок упаковали в дискообразные таблетки, высушенные при температуре 140 градусов Цельсия, в течение 5 часов.[4]
Рисунок 3 – Пористая структура графена
Самым значительным показателем графенового супер конденсатора является то, что они могут полностью зарядиться или отдать накопленный заряд всего за 16 секунд. Это является самым быстрым временем заряда - разрядки на сегодняшний день.
Выводы
Технология электромобиля развивается быстрыми темпами. Исследования в области аккумуляторных источников энергии в ближайшее время смогут вывести производство электромобилей на новый уровень. Нельзя исключать того факта, что при решении всех технических аспектов, электромобили смогут постепенно начать вытеснять обычные автомобили.