К 2030 году в мире будет 20 млн электромобилей
Об этом говорится в докладе Конференции ООН по торговле и развитию (ЮНКТАД). Он посвящен ситуации с сырьевыми товарами, используемыми в производстве автомобильных аккумуляторов.
В мире растут инвестиции в «зеленую» энергетику
Сегодня на улицах и дорогах мира насчитывается миллиард пассажирских автомобилей, а к 2030 году их число может почти удвоиться. На автотранспорт приходится четверть всех выбросов парниковых газов. Меры, направленные на сокращение этих эмиссий, привели к росту инвестиций в «зеленую» энергетику. Такие инвестиции, по данным ЮНКТАД, на протяжении уже нескольких лет составляют в среднем около 600 млрд долларов в год.
«Альтернативные источники энергии, такие как электрические батареи, приобретут еще большее значение, поскольку сейчас инвесторы насторожено относятся к будущему нефтяной промышленности», — заявила директор отдела международной торговли ЮНКТАД Памела Кок-Гамильтон.
По данным ЮНКТАД, к 2030 году на улицах городов и поселков появится уже 20 млн автомобилей с двигателями, работающими не на бензине или дизеле, а на электрических батареях. Для сравнения — сегодня их чуть больше 5 млн.
Эксперты ЮНКТАД полагают, что аккумуляторные батареи смогут сыграть важную роль в процессе перехода на низкоуглеродистые энергетические системы и помогут снизить выбросы парниковых газов. Но при этом они напоминают о необходимости надлежащей переработки сырья, которое используется для их производства.
На сегодняшний день самой распространенной перезаряжаемой автомобильной батареей является литий-ионный аккумулятор. Мировой рынок катодов для таких аккумуляторов в 2018 году оценивался в 7 млрд долларов. К 2024 году он составит 58,8 млрд долларов.
«Рост спроса на важнейшее сырье, используемое для производства аккумуляторов электромобилей, расширит торговые возможности для стран, поставляющих эти материалы», — сказала Кок-Гамильтон.
Сырье добывается лишь в нескольких странах
Но запасы сырья для автомобильных аккумуляторов сконцентрированы всего в нескольких странах. Так, почти 50 процентов мировых запасов кобальта находится в Демократической Республике Конго (ДРК), 58 процентов запасов лития — в Чили, 80 процентов запасов природного графита — в Китае, Бразилии и Турции, а 75 процентов запасов марганца — в Австралии, Бразилии, ЮАР и Украине.
По мнению производителей электрокаров и, в частности аккумуляторов для них, высокая концентрация сырья в отдельных странах является негативным фактором, подрывающим гарантии непрерывных поставок.
Перебои с поставками, по мнению экспертов, могут привести к напряженности на рынках, росту цен на сырье и стоимости автомобильных аккумуляторов, а это, безусловно, окажет негативное влияние на возможность быстрого перехода к низкоуглеродистым электрическим средствам транспорта.
С учетом этого фактора эксперты предлагают увеличивать инвестиции в экологически чистые технологии, которые в меньшей степени зависят от сырья для аккумуляторов, что снизит риск дефицита поставок таких материалов, как литий и кобальт.
Однако такой подход приведет к сокращению доходов стран, производящих эти материалы.
Вместе с тем основная часть добавочной стоимости при производстве автомобильных аккумуляторов создается за пределами стран, поставляющих материалы. Например, в ДРК добываются кобальтовые руды, но их дальнейшая обработка и рафинирование осуществляются на перерабатывающих заводах в Бельгии, Китае, Финляндии, Норвегии и Замбии. Именно на этих заводах производятся конечные продукты, используемые в аккумуляторных батареях. Самой ДРК, на долю которой приходится более двух третей мирового производства кобальта, не удалось извлечь максимальные экономические выгоды от полезных ископаемых. В стране нет надлежащей инфраструктуры, технологических и материально-технических возможностей, а главное — нет соответствующей политики.
Производство положительных электродов для автомобильных аккумуляторов также сосредоточено лишь в нескольких странах Азии. В 2015 году на долю Китая приходилось около 39 процентов мирового рынка положительных электродов, Японии – 19 процентов, а Республики Корея – 7 процентов.
Социальные и экологические последствия добычи сырья для автомобильных аккумуляторов
В новом докладе впервые говорится о негативных социальных и экологических последствиях добычи сырья для автомобильных аккумуляторов. Например, около 20 процентов кобальта, поставляемого из ДРК, добывается на кустарных рудниках, где используется детский труд. По данным ЮНИСЕФ, в опасных условиях в шахтах работают до 40 тысяч детей. При этом за свой тяжелый труд они получают мизерную плату.
В Чили при добыче лития используется около 65 процентов всей воды в Салар-де-Атамаке, одном из самых пустынных районов в мире. Это приводит к истощению подземных вод и к их загрязнению. В результате местные фермеры, выращивающие квиноа и занимающиеся скотоводством, были вынуждены покинуть свои родовые места и мигрировать. Добыча лития привела к деградации окружающей среды, повреждению ландшафта и загрязнению почвы.
Авторы доклада предлагают наращивать инвестиции в технологии, которые позволят уменьшить негативное воздействие производства аккумуляторов на окружающую среду, а также обеспечат надлежащую утилизацию отработанных батарей.
Аккумуляторы становятся легче и сильнее | Новости автомобилестроения в Германии | DW
Компания Porsche предлагает свой литий-ионный аккумулятор для автомобиля. Это открывает новые перспективы для создателей электромобилей и автомобилей с гибридными двигателями.
Porsche-911 на конвейере
Пока (с января 2010 года) такие батареи будут устанавливаться на «обычные» Porsche 911 GT3, 911GT RS, Boxter Spyder (в качестве опции ценой в 1904 евро, позже батарея будет стоить 2500 евро). Она будет поставляться в качестве летней батареи. Дело в том, что литий-ионные аккумуляторы из-за особенностей своей конструкции не могут работать при минусовых температурах.
Летняя батарея — прообраз батарей будущего
Батарея, устанавливаемая на Porsche, весит менее шести килограммов, то есть на 10 килограммов легче традиционной (свинцовой) батареи емкостью 60 ампер-часов. Благодаря этому, говорят конструкторы, улучшаются динамические качества машин. Не стоит забывать, что речь сейчас идет о спортивных автомобилях, где каждый лишний грамм отражается на скоростных характеристиках. Поэтому ставить эти батареи предполагается, например, для участия в кольцевых гонках.
Новый аккумулятор на 70 миллиметров ниже обычного, но легко монтируется на обычное место в автомобиле. Все разъемы такие же как всегда. Несмотря на то, что емкость батареи составляет всего лишь 18 ампер-часов, она вполне сопоставима со свинцовой батарей в 60 ампер-часов, а в чем-то даже превосходит ее.
Литий-ионные батареи отдают весь заряд
литий-ионный аккумулятор уже сейчас используется на электроскутерах
В отличие от традиционных батарей, эту невозможно разрядить полностью, поскольку в нее интегрирована электронная система, контролирующая уровень разряженности. Когда емкость падает до заранее установленного минимума, раздается звуковой сигнал, предупреждающий о необходимости подзаряжать аккумулятор от работающего мотора, или от сети.
Известно, что реально на полезную работу используются лишь 30 процентов емкости свинцовых батарей. Литий-ионные, благодаря своей конструкции, отдают практически весь свой заряд, то есть отдаваемая мощность таких батарей существенно выше. При запуске мотора она развивает полную мощность, независимо от степени разряженности. Из-за меньшего внутреннего сопротивления такая батарея заряжается лучше и быстрее свинцовой при движении машины. Если такая батарея стоит, например, на складе, то разряжается меньше и дольше, чем свинцовая.
Важность этой разработки, в общем-то, не в том, что у Porsche появился новый аккумулятор, а в том, что его появление доказывает, что и эта компания работает над созданием электромобиля. Ведь главное препятствие на пути его массового распространения — это батареи. Пока они тяжелы (составляют половину веса автомобиля) и при этом обладают малой емкостью, то есть требуют постоянной подзарядки.
Автор: Виктор Агаев
Редактор: Глеб Гаврик
Насколько хороши аккумуляторы LiFePO4 для гольфмобиля или клубного автомобиля?
Насколько хороши аккумуляторы LiFePO4 для гольфмобиля или клубного автомобиля?
Литий-железо-фосфатный аккумулятор(LiFePO4 или LFP) предлагают множество преимуществ по сравнению с коррозионно-свинцовыми батареями отlifepo4 поставщик аккумуляторных батарей для гольф-карти другие литиевые батареи. Более длительный срок службы, отсутствие поддержки, очень защищенный, легкий, улучшенный выпуск и производительность зарядки, просто чтобы привести несколько примеров. Батареи LiFePO4 не являются наименее дорогими в поиске, но, скорее, из-за длительного срока службы и нулевого обслуживания, это лучшее предприятие, которое вы можете сделать через некоторое время. Батареи LiFePO4 (иначе называемые литиево-железо-фосфатными) являются огромным улучшением по сравнению со свинцом, вызывающим коррозию, по весу, пределу и продолжительности использования. Батареи LiFePO4 являются наиболее безопасным типом литиевых батарей, поскольку они не перегреваются, и независимо от того, проникли ли они внутрь, они не загорятся. Катодный материал в батареях LiFePO4 не опасен, поэтому не представляет опасности для здоровья или окружающей среды. Поскольку кислород прочно прикреплен к атому, отсутствует риск того, что батарея воспламенится, как в случае с литий-ионным аккумулятором. Наука уверена в том, что батареи LiFePO4 распознают заряд от зарядного устройства, вызывающего коррозию свинца. Несмотря на то, что они менее энергоемкие, чем литий-ионные и литий-полимерные, железо и фосфат являются обильными и менее дорогостоящими для разделения, поэтому затраты значительно более разумны. Будущее LiFePO4 составляет примерно 5-7 лет. Литий-ионные батареи и литий-полимерные батареи являются наиболее энергоемкими из литиевых батарей, однако они неадекватны для благополучия. Наиболее широко признанный вид литий-ионных аккумуляторов — это LiCoO2 или оксид лития-кобальта. В этой науке кислород не однозначно присоединен к кобальту, поэтому, когда аккумулятор нагревается, например, при быстрой зарядке или разрядке, или просто при длительном использовании, аккумулятор может загореться. Это может быть особенно печально в условиях большого веса, например, в самолетах, или в больших приложениях, например, в электромобилях. Чтобы решить эту проблему, гаджеты, использующие литий-ионные и литий-полимерные батареи, должны иметь чрезвычайно чувствительное и регулярно дорогостоящее оборудование для их проверки. Литий-ионные аккумуляторы отlifepo4 поставщик аккумуляторных батарей для гольф-картимеют естественно высокую энергетическую толщину, то после одного года использования предел литий-ионных аккумуляторов упадет настолько, что LiFePO4 будет иметь аналогичную энергетическую толщину, а через два года LiFePO4 будет иметь существенно более заметную энергетическую толщину. Еще одна медвежья услуга такого рода заключается в том, что кобальт может быть опасным, вызывая как проблемы с благополучием, так и затраты на естественное удаление. Литий-ионная батарея существует очень давно.
Свинцово-кислотный продукт — это продемонстрированная инновация и может быть умеренно скромной. В свете этого они все еще используются в большинстве приложений для электромобилей и в начинающих приложениях. В отличие отСвинцово-кислотные батареиЕдинственным препятствием для LiFePO4 батарей является то, что они действительно плохо работают при температуре около 0 градусов Цельсия. Как бы то ни было, поскольку ограничения, вес, рабочая температура и снижение выбросов CO2 являются огромными переменными во многих областях применения, LiFePO4 батареи быстро превращаются в отраслевой стандарт. Несмотря на то, что базовая цена на LiFePO4 выше, чем на свинец, вызывающий коррозию, более длительный срок службы может обосновать это финансово стабильное решение.
Самый высокий цикл жизни— Батареи LiFePO4 выдерживают до 3000 циклов до 60% предела при 100% глубине разряда (0,5CA). Это контрастирует и 500 циклов от Ni-MH и часто меньше от Li-Ion.
Легкий вес— Снижение веса на 1/3 по сравнению с Ni-MH от поставщика аккумуляторных батарей для гольф-каров lifepo4, что не совсем большая часть веса VRLA
Отличный температурный диапазон— Работает от -20 ° C до + 60 ° C, разумное хранение при более низких температурах
Возможность выпуска с высокой скоростью— Выпуск 10C, ограниченный просто оборудованием BMS
Быстрая зарядка— возможна зарядка 1С
Доступны в качестве замены свинцово-кислотных аккумуляторов с регулируемым клапаном — наши батареи LiFePO4 доступны вне стойки с такими же впечатлениями, что и их партнеры по нижнему пределу VRLA
Превосходный восстанавливаемый предел при высоких скоростях выпуска — если вы выпускаете на 1С, вы восстанавливаете полный лимит в Ач. Если вы выпустите VRLA на уровне 1С, это, вероятно, будет всего лишь 60% от рейтинга Ah
Низкое самоотдачаe — Аккумулятор LiFePO4 превосходит Ni-MH или VRLA, рядом с выставкой Li-Ion
Аккумуляторы LiFePO4 отlifepo4 поставщик аккумуляторных батарей для гольф-картпри соединении с преобразователями и инверторами может использоваться в качестве накопителя энергии, который может контролировать различные виды электрических нагрузок в условиях, когда нет доступа к мощности. Например, многие удобные гаджеты можно заряжать с помощью аккумуляторов LiFePO4 от поставщика аккумуляторных батарей для гольф-карт lifepo4, включая ПК и КПК. Значительное количество наших клиентов используют батареи Bioenno Power LiFePO4 в сочетании с инверторами / преобразователями для подпитки различных электрических нагрузок.
Универсальное оборудование / контрольно-измерительные приборы Аккумуляторы Bioenno Power от поставщика аккумуляторных батарей для гольф-каров lifepo4 предлагают огромные возможности для управления и зарядки различного широко используемого оборудования и оборудования. Универсальное аппаратное обеспечение включает усилители звука, телефоны, ПК, универсальные проекторы и т. Д. Приборное оборудование включает в себя различные типы датчиков, используемых для контроля климата. Батареи Bioenno Power предлагают огромные возможности для управления и зарядки различного широко полезного и измерительного оборудования. Универсальное аппаратное обеспечение включает усилители звука, телефоны, ПК, универсальные проекторы и т. Д. Приборное оборудование включает в себя различные типы датчиков, используемых для контроля климата.
Возможна параллельная ассоциация для обеспечения наиболее высоких пределов — квадраты батарей могут быть выполнены в одном или другом расположении или равнозначно связаны с двойным пределом или напряжением. Ячейки могут быть расположены / равны, что дает широкий диапазон пределов и напряжений на пользовательских блоках. Если это необходимо, было бы идеально, если бы вы проконсультировались с нашей технической группой, чтобы сообщить о возможных результатах.
Безопасен для транспортировки— Хотя батареи LiFePO4 от поставщика аккумуляторных батарей для гольф-каров lifepo4 мощностью более 100 Вт-ч относятся к классу 9 различных опасных грузов ООН, они, естественно, более безопасны, чем другие литиевые инновации, поскольку высокая температура приближается к удвоенной, чем у литий-кобальтовых. Возможно выполнение правил тестирования UN38.3 без схемы защиты (PCM), несмотря на то, что об этом регулярно вспоминают для BMS, использование которой целесообразно для поддержания постоянной настройки ячейки.
Подробнее оLiFePO4 батареи для гольфмобиля или клубного автомобиля, вы можете посетитьпроизводитель аккумуляторов lifepo4 в КитаеАккумулятор JB вhttps://www.jbbatterychina.com/custom-lifepo4-battery-packs.htmlдля получения дополнительной информации.
Аккумулятор, который всегда с собой в России — CARobka.ru
Многие автомобилисты попадали в неприятные ситуации, когда при повороте ключа зажигания, вместо привычного звука работы стартера, из-под капота доносилось лишь пощелкивание.
Разряд штатного автомобильного аккумулятора может произойти по разным причинам: от естественного старения и химического разложения пластин, из-за невыключенных на ночь габаритных огней или салонного освещения, из-за высоких токов утечки нештатного оборудования автомобиля — сигнализации, системы слежения GPS, магнитолы.
Раньше было три варианта завести автомобиль с севшим аккумулятором: «прикурить» от другого автомобиля, зарядить аккумулятор или заменить его на новый. Два последних варианта занимали либо много времени, либо требовали серьезных материальных вложений.
Но время идет, прогресс не стоит на месте, и появился еще один способ «оживить» автомобиль, даже если его аккумулятор разряжен. Способ этот долгое время, как говорится, лежал на поверхности — использовать переносную батарею, способную завести двигатель. И такие батареи появились. Благодаря использованию современных литий-ионных аккумуляторов, подобная батарея имеет очень компактные размеры, небольшой вес и при этом характеристики, позволяющие производить старт автомобильного двигателя.
Представляемая батарея D-Lex Power обладает всеми этими качествами.
Емкость батареи составляет 12 мАч, напряжение, выдаваемое для старта двигателя — 12 В, максимальный пусковой ток — 400 А. Сочетания этих параметров достаточно, чтобы неоднократно завести двигатель автомобиля, как бензиновый, так и дизельный. Достаточно подключить провода с зажимами к разъему устройства и аккумулятору — и мотор можно заводить.
Устройство оборудовано защитой от случайного короткого замыкания и системой индикации состояния заряда батареи.
Помимо запуска двигателей, D-Lex Power может заряжать и различные виды мобильных электронных устройств, таких как планшеты, мобильные телефоны, игровые приставки и тому подобное. Для этого установлены два разъема USB. Это очень удобно, если розетка с электрической сетью недоступна, например, на пикнике на природе.
Приятным дополнением служит встроенный в корпус светодиодный фонарик яркостью 85 люмен, работающий в 3 режимах — обычный, режим стробоскопа и мерцание в режиме SOS.
Поставляется D-Lex Power в удобном и прочном пластиковом кейсе, в котором хранятся зарядные устройства для самой батареи, переходники для заряжания электронных устройств основных производителей и провода для запуска двигателя автомобиля.
за и против — Информация
Пожалуй, закончим околоавтомобильную тему об аккумуляторах на «ноте» LiPo. Эта стать – последняя в цикле о батареях, не используемых для комплектации серийных авто. А речь в ней пойдет о преимуществах и недостатках литий-полимерных аккумуляторов.
Как правило, говоря об аккумуляторных батареях, большинство сводят их преимущества к длительному разряду или, другими словами, высокой емкости. То есть, хороший источник питания должен работать долго. В целом, на современном этапе развития науки и техники добиться этого несложно. Но, в то же время, примеры таких батарей можно пересчитать по пальцам одной руки. Никель-металл-гидридный аккумулятор – раз, литий-ионный – два.
Впрочем, не так давно появился еще один вариант решения задачи, и формула его LiPo. Это, так называемые, литий-полимерные аккумуляторы, которые можно привязать к автомобильной теме при помощи картинга. Да, именно в картах они используются, помимо портативной радиотехники. Причем, весьма успешно. Появились такие батареи за счет модернизации литий-ионных аккумуляторов путем замены традиционного электролита гелеобразной массой. Прекрасное соотношение емкости и массы – основное их достоинство.
Не стоит говорить о том, что сфера применения таких батарей ограничена лишь «игрушками». В общем-то, ничего не мешает сделать их большими по размеру, и применять во «взрослой» жизни, например, оборудуя современные электромобили. Но это будущее. Поэтому сегодня радиоуправляемые модели можно рассматривать в качестве полигона для испытаний инновационных технологических решений хранения и использования электрического заряда.
Итак, о преимуществах сказано. Это, в общем-то, главное свойство LiPo-батарей, которое заключается в малой массе и значительной емкости. Но существуют и нюансы, ограничивающие применения таких источников питания в быту, моделировании, автомобилестроении. Это, среди прочего:
- Потенциальная опасность возгорания. История знает несколько примеров, когда такие батареи загорались из-за несоблюдения параметров заряда. Лучшее тому подтверждение соответствующий отчет, предоставленный Федеральным управлением гражданской авиации США.
- Сложный ввод в эксплуатацию после зарядки. Сразу же использовать аккумуляторы нельзя, их нужно охлаждать до температуры окружающей среды.
То есть, можно с полной уверенностью сказать, что на данном этапе развития технологии она имеет больше минусов, чем плюсов. Хотя, даже имеющиеся недостатки не мешают применять LiPo-аккумуляторы во многих сферах. Остается надеяться, что модернизация их не за горами, и тогда, возможно, индустрия автомобилестроения также сможет получить мощный импульс для внедрения электромобильных систем.
21.10.2013, 9813 просмотров.
Почему автомобильные аккумуляторы плохо работают в холодную погоду?
Процесс запуска автомобильного двигателя морозным зимним утром может доставить вам массу хлопот, если не позаботиться о нем с вчера. Часто двигатель незапускается из-за аккумуляторной батареи (АКБ). Почему АКБ чувствительнее к внешним условиям, чем другие узлы и системы автомобиля? Ответ кроется в способности АКБ преобразовывать химическую энергию в электрическую с минимальным выделением тепла и в малом объеме тепловой энергии, доступной при низкой температуре.
Приступая к работе
Помню, как пару лет назад я осенью купил себе машину. Зима оказалась одной из самых холодных за последние несколько лет. На протяжении двух недель столбик садового термометра не поднимался выше -10°C.
Мы отдыхали на шведском горнолыжном курорте. И вот одним февральским утром я вышел на улицу завести машину, рассчитывая с комфортом довезти семью до подъемника. Поворот ключа зажигания… Машина едва завелась. Судя по звуку, все шесть цилиндров работали не так плавно как обычно. Прежде чем двигатель заурчал как раньше, прошла почти целая минута. Меня это насторожило, ведь машина была новой. ЖК-экран между спидометром и тахометром медленно ожил. -35°C за бортом! Этим утром обойдемся без лыж!
Поскольку я по специальности инженер-электрохимик, мысли мои от заснеженных склонов плавно обратились к старому доброму свинцово-кислотному аккумулятору, который к тому моменту уже выдавал на стартер пиковый ток, так что двигатель запускался с пол-оборота.
Проблема не ограничивается АКБ, работа любого двигателя внутреннего сгорания в условиях крайне низких температур будет неустойчивой. Масло системы смазки густеет, реакции сгорания замедляются, а в важных участках системы подачи топлива может замерзнуть конденсат. Однако, моя машина завелась. А вот автомобиль с электрическим двигателем вряд ли удалось бы завести, если не подключать его на ночь к розетке.
В чем разница? Ответ кроется в том, как именно химическая энергия преобразуется в механическую:
- ДВС преобразует содержащуюся в топливе химическую энергию в тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию.
- Двигатель электромобиля преобразует химическую энергию АКБ в электрическую, которая в дальнейшем преобразуется в механическую электромотором. В сравнении с ДВС количество выделяемого тепла гораздо меньше.
Процесс преобразования ДВС тепловой энергии в механическую приводит к образованию большого количества тепла, прогревающего двигатель, уже на первом такте, что обеспечивает практически мгновенное начало движения. В двигателе электромобиля тепло при низкой температуре образуется медленно, поэтому прогрева не происходит. Как говорил Лес Гроссман: «Законы физики. Их не остановить».
Обратите внимание, что КПД при преобразовании химической энергии в механическую в электромобиле гораздо выше, так как потери энергии в АКБ и электродвигателе относительно невелики.
Оставим в стороне проблемы КПД и теплообразования и, прежде чем перейти к разговору об АКБ, давайте сравним процессы, осложняющие запуск двигателя электромобиля и обычного автомобиля в условиях низкой температуры.
Сравнение процессов, протекающих в транспортных средствах
Начнем сравнение с двигателей: электрического и ДВС. Мы можем предположить, что электродвигатель в меньшей степени подвержен влиянию низких температур по сравнению с ДВС. Количество движущихся компонентов в электродвигателе меньше, а между ними находится воздух, поэтому они должны требовать меньше смазки и быть не столь чувствительны к воздействию низких температур.
Конструктивно трансмиссия электромобиля менее сложна, чем трансмиссия автомобиля, оснащенного ДВС, так как электродвигатель может работать с большим диапазоном нагрузок, выдавая превосходный крутящий момент. Кроме того, в электромобиле может быть установлено несколько двигателей (например, один в передней, а второй в задней части), поэтому ему не требуется сложной силовой передачи для использования полного привода. Таким образом, электромобилю не нужна сложная коробка передач, требующая смазки. Соответственно, электромобиль должен быть менее восприимчив к фактору температуры.
Не забывайте и том, что электромобиль не нуждается в сложной системе подачи топлива с насосами, клапанами, датчиками, форсунками и т.д. Это также положительно скажется на чувствительности электромобиля к холодной погоде в сравнении с обычным автомобилем, ведь у него меньше компонентов, где возможно образование льда.
Самым слабым звеном в условиях холода ожидаемо является АКБ. Вообще-то влияние низких температур на работу аккумулятора можно наблюдать на множестве примеров: от военного и космического оборудования до мобильных телефонов и домашних охранных систем. Для автомобиля, оснащенного ДВС, данный компонент гораздо менее важен, так для его запуска требуется лишь кратковременный пиковый ток. Электромобилю для работы, напротив, необходим постоянный ток. Давайте поближе взглянем на работу АКБ и влияние на нее температуры.
Характеристики АКБ, зависящие от температуры
В состав АКБ входят два пористых электрода: положительный и отрицательный. Электропроводящий материал электрода состоит из частиц с большой плотностью. Пористость электродов вызвана пустотами между частицами (см. иллюстрацию ниже).
Два электрода отделены друг от друга электролитом. Кроме того, поры обоих электродов содержат электролит, заполняющий пустоты между частицами материала. Иллюстрация ниже демонстрирует процесс разряда в АКБ, причем размер частиц сильно преувеличен.
Потери в АКБ при указанном уровне заряда изображены на следующей иллюстрации, демонстрирующей вольтамперные кривые для положительного (красный) и отрицательного (синий) электродов. Рабочие точки электродов помечены как i1 и -i1. Предположим, что потенциал положительного и отрицательного электродов замеряется с помощью эталонного электрода по центру емкости с электролитом (см. иллюстрацию выше). Это необходимо для выяснения потенциала электродов по отдельности, а также для того, чтобы учесть активные потери на обоих концах эталонного электрода.
Напряжение гальванического элемента ниже по сравнению c напряжением разомкнутого (см. ниже) из-за потерь на активацию (вследствие кинетики электромеханической реакции) и массообмен, а также активных потерь. Обратите внимание, что катодный ток на положительном электроде определяется как отрицательно заряженный, в то время как анодный ток на отрицательном электроде — как положительно заряженный. Дело в том, что полярность электролита внутри АКБ обратна полярности внешней цепи.
Напряжение разомкнутого элемента
Разность потенциалов электродов при нулевой плотности тока называется напряжением разомкнутого элемента при заданном состоянии заряда, как показано на иллюстрации выше.0}} \right)
где E — напряжение элемента, {\Delta S} — изменение энтропии реакции АКБ, z — количество переданных электронов, F — постоянная Фарадея. Это значит, что для АКБ, в которой суммарная реакция разряда вызывает положительное изменение энтропии ({\Delta S}), рост температуры приведет к увеличению напряжения гальванического элемента. Для АКБ с отрицательным изменением энтропии это приведет к понижению напряжения.
Большая часть литий-ионных батарей, используемых в современных электрических устройствах, обладает небольшим отрицательным изменением энтропиии, что означает небольшой рост напряжения разомкнутого элемента при уменьшении температуры. Этого уже будет достаточно для улучшения работы в условиях низких температур. Однако, изменение напряжения открытого элемента в зависимости от температуры в сравнении с прочими параметрами относительно невелико и составляет около 0-0,4 мВ/К —менее 30 мВ в диапазоне от крайне низкой температуры (-35°C) до комнатной. Таким образом, причиной ухудшения эксплуатационных характеристик АКБ при низких температурах является термодинамика суммарной реакции ее разряда.
Физические характеристики электролита и электродов
Физические характеристики электролита оказывают значительное влияние на работу АКБ. Температура влияет на проводимость и диффузивность электролита и, соответственно, на эффективную проводимость и диффузивность электролита в порах электродов.
Проводимость электролита может увеличиваться на один или более порядков при изменении температуры от очень холодной (-35°C) до комнатной. Если мы построим логарифмический график проводимости электролита как функции 1/T, то получим линейную зависимость, представленную на иллюстрацию ниже. Данная иллюстрация демонстрирует уровень проводимости при низкой температуре и его рост в геометрической прогрессии при ее повышении.
Таки образом, активные (реостатные) потери в электролите АКБ возрастают при понижении температуры, что приводит к низкому напряжению гальванических элементов при заданной силе тока и низкой температуре. Кроме того, недостаточная проводимость электролита приводит к менее однородной плотности тока при распределении в пористых электродах, что, в свою очередь, снижает емкость АКБ. Емкость определяется как количество ампер-часов, которое можно извлечь из АКБ до быстрого падения напряжения. Емкость АКБ остается неизменной и при низких температурах, однако слабая проводимость и, соответственно, неравномерное распределение плотности тока не позволяют задействовать полную емкость АКБ до тех пор, пока она не нагреется.
Более того, диффузивность химических компонентов электролита, крайне важная для протекания электрохимических реакций, снижена в той же мере, что и проводимость электролита. Уменьшение диффузивности увеличивает перегрузку, что ведет к уменьшению напряжения гальванического элемента. Пониженная диффузивность также ведет к уменьшению емкости АКБ, так как крупные фракции частиц электродов АКБ становятся недоступными в результате ограничений массообмена.
Обратите внимание, что и проводимость, и диффузивность электролита связаны с подвижностью (см. соотношение Нернста — Эйнштейна).
С точки зрения физики пониженная подвижность является результатом того, что в электролите сокращается количество доступной тепловой энергии, следовательно ионам и молекулам становится сложнее преодолевать силу взаимодействия или трения. Подвижность в электролитических растворах как функция температуры описывается уравнением Аррениуса, в котором энергия активации (Ea на иллюстрации выше) представляет собой энергию необходимую для того, чтобы молекулы смогли преодолеть силу взаимодействия с соседними молекулами и начать двигаться в электролитическом растворе.
Твердый материал электрода, как правило, обладает проводимостью, на несколько порядков превышающей проводимость электролита в порах. Степень изменения проводимости в твердых материалах с изменением температуры обычно не оказывает влияния на эксплуатационные характеристики АКБ. Однако зарядка некоторых АКБ в условиях низкой температуры может стать проблематичной, так как приведет к образованию дендритов, разрушающих АКБ.
Кинетика электродов
Последним компонентом неустойчивой работы АКБ при низкой температуре является медленная кинетика анодных и катодных реакций, что приводит к перегрузке по напряжению при запуске. С точки зрения физики медленная кинетика электродов является следствием того, что энергию активации становится сложнее преодолеть, поскольку при низких температурах в системе доступно меньше тепловой энергии.
Иллюстрация ниже демонстрирует общее влияние роста потерь при запуске, активных потерь и затрат на массообмен на эксплуатационные характеристики АКБ. Мы видим, как рост общей перегрузки на двух электродах приводит к снижению напряжения гальванического элемента при указанной силе тока и состоянии заряда АКБ.
Эти кривые основываются на уравнениях Аррениуса для подвижности и кинетики электродов, которые для обратимых электрохимических реакций представляются в виде соответствующих уравнений Батлера — Вольмера.
Терморегулирование
Современные аккумуляторные системы электромобилей оснащаются сложными системами терморегуляции. Эти системы охлаждают АКБ при повышенных нагрузках или, напротив, нагревают ее при подключении к розетке холодной зимней ночью.
Система терморегуляции позволяет поддерживать АКБ в оптимальном диапазоне рабочих температур (см. иллюстрацию выше). Обратите внимание, что на графике показана не температура окружающей среды, а рабочая температура АКБ. Система терморегуляции также снижает риск возникновения термической нестабильности в литий-ионных АКБ.
Обогрев АКБ в условиях низких температур также приводит к снижению КПД электродвигателя и уменьшению максимальной дальности поездки, так как часть электроэнергии или регенерирующей мощности необходимо преобразовывать в тепловую энергию для поддержания температуры АКБ в оптимальном диапазоне. Кроме того, часть этой мощности может использоваться для обогрева кабины, что также негативно сказывается на КПД автомобиля и максимальной дальности поездки.
На иллюстрации выше представлены результаты моделирования автомобильной литий-ионной АКБ, оснащенной каналами для охлаждения и обогрева. Подобные модели широко используются при проектировании систем терморегуляции АКБ.
Заключение
Невозможность быстрого самостоятельного нагрева АКБ электромобиля после очень холодной зимней ночи, является следствием высокого КПД электродвигателя, а также того факта, что ему не требуется вырабатывать тепловую энергию, которая преобразуется в механическую работу. Поэтому в ночь перед лыжными вылазками вроде моей электромобиль нужно обязательно подключить к розетке, чтобы поддерживать температуру АКБ в пределах допустимого диапазона.
Если вы будете следовать этому совету, ваш электромобиль легко заведется даже в горах Швеции. На самом деле, большинство открытых парковок в условиях Севера (например, на Аляске, в Канаде, Швеции или Норвегии) оснащены электрическими розетками, а большинство бензиновых автомобилей оснащаются средствами обогрева двигателя. В таких условиях не стоит рисковать, даже если у вас автомобиль с двигателем внутреннего сгорания.
Если же вы забыли подключить машину к розетке на горнолыжном курорте, то лучше вернуться в уютный коттедж и вспомнить о Сванте Аррениусе, шведском ученом, который первым разработал количественное описание температурной зависимости скорости химических реакций от характеристик переноса.
Літієві акумулятори для автомобілів: чи потрібно платити більше?
Літій-залізо-фосфатні (LiFePo4) акумуляторні батареї з кожним днем набувають популярності на українському ринку. Крім того, деякі моделі автомобілів, наприклад, Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid, Tesla, Porsche та ін., з конвеєра комплектуються акумуляторами нового покоління.
Багато автомобілістів ставлять собі питання: чи варто міняти кислотний акумулятор на літієвий? Чи потрібно платити більше, оскільки LiFePo4 стоять набагато дорожче звичайних АКБ для автомобіля?
Літій-залізо-фосфатний автомобільний акумулятор на 12V складається з певної кількості герметичних прямокутних елементів. Очевидні переваги такої конструкції — це компактні розміри й легка вага.
Якщо Ви вважаєте, що безглуздо переплачувати за акумулятор, який важить на 10-15 кг менше звичайного, його ж не в руках носити, а возити під капотом, не поспішайте переходити на іншу вкладку.
Скільки годин їзди на автомобілі вам знадобиться, щоб зарядити кислотний акумулятор місткістю 50 Ач? 10 — 12 годин? Батареї LiFePo4 не бояться високих струмів заряду, отже, для повного зарядження йому знадобиться не більше 3-х годин.
Саморозряд Lifepo4 при кімнатній температурі не перевищує 3% (від заявленої місткості) в місяць. Ви можете бути впевнені, що ця батарея, на відміну від кислотної, не розрядиться після тривалого (1-2 місяці) зберігання.
Технологія виготовлення літій-ферум-фосфатних акумуляторів повністю виключає використання токсичних речовин. Літієві АКБ вважаються екологічно чистими.
Що стосується ресурсу роботи, то замість 1500 — 2000 циклів, які витримують кислотні акумулятори, літієві батареї виробляються після 5000 — 7000 циклів. LiFePo4 прослужить Вам від 10 до 15 років. Виробник дає гарантію на 3 роки.
Крім того, LiFePo4 можна ремонтувати. Банку, яка вийшла з ладу, легко замінити на нову.
Який акумулятор необхідний Вашому автомобілю — вирішувати Вам. Звичайно, за використання надійної та довговічнішої, ніж свинцево-кислотна, акумуляторної батареї доведеться заплатити. Ну або почекати якихось 5 — 10 років, поки вчені не знайдуть спосіб здешевити технологію виробництва LiFePo4. Але, не факт, що на той час літієві АКБ не вважатимуть «застарілими моделями».
Литиевый автомобильный аккумуляторT6 / L2 — антигравитационные батареи
Первая батарея со встроенным беспроводным запуском от внешнего источника ! Беспроводной брелок Дистанционный запуск от внешнего источника. Так что вы больше никогда не попадете в разряд разряженного аккумулятора!
ПОЛНАЯ система управления батареями (BMS), включая переразряд, перезаряд, короткое замыкание, тепловую защиту и балансировку ячеек.
ТЕХНОЛОГИЯ RE-START : Аккумулятор RE-START может перезапускаться самостоятельно.Он интеллектуально контролирует свое состояние и, если он обнаруживает чрезмерную разрядку, переходит в спящий режим, но сохраняет достаточно энергии, чтобы вы могли перезапустить свой автомобиль. Просто нажмите беспроводной брелок.
ОБОРУДОВАНИЕ OEM : точные размеры для замены свинца / кислоты. Никаких дополнительных модификаций или лотков устанавливать не требуется.
БОЛЬШЕ СЛУЖБЫ : в 2–3 раза дольше срок службы свинцово-кислотных и других литиевых батарей благодаря полной системе управления батареями.
HIGH POWER : Максимальный ток пуска в 3 раза выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов аналогичного размера.Лучший запуск и более высокое напряжение при запуске.
УЛЬТРАЛЁГКИЙ : Батарея Antigravity RE-START может быть на 70% легче свинцово-кислотного эквивалента. Это соответствует примерно 25-55 фунтам мгновенной потери веса, просто заменив батарею! Это делает литий-ионную батарею Antigravity наиболее экономичным продуктом для похудения, предлагая лучший запуск, управляемость и торможение! Реальное значение производительности!
НИЗКИЙ САМОРАЗРЯД : Аккумулятор RE-START не саморазряжается, как свинцово-кислотные аккумуляторы.Он обеспечивает более длительное время хранения при условии, что на аккумуляторе не происходит чрезмерного паразитного разряда.
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В АВТОМОБИЛЕ : Намного более устойчив к вибрации, чем свинец / кислота. Невероятно устойчивый к ударам и вибрации; внутри нет жидкости или кислоты, которые можно пролить или слить. Не выделяет опасный водород во время зарядки и не будет протекать жидкости, которые могут повредить отделку или шасси, например, кислоту.
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЙ АККУМУЛЯТОР : Без кислоты или тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий или ртуть.Всегда не забывайте относиться к утилизации аккумуляторов ответственно!
Достаточно ли лития для поддержания роста рынка литий-ионных батарей?
Литий-ионные батареи сегодня используются по умолчанию для большинства персональных электронных устройств и большинства электромобилей, поскольку они имеют более высокую плотность энергии, чем другие технологии. Революция литий-ионных аккумуляторов всерьез началась в начале 1990-х годов после того, как Sony и несколько других компаний выпустили первую коммерческую версию новой технологии аккумуляторов.Теперь, когда литий-ионные батареи являются преобладающим выбором для многих приложений, особенно для электромобилей, актуальны вопросы о глобальных поставках лития. Короче говоря, можно ли наращивать объемы литий-ионных аккумуляторов при повышенном спросе?
К концу 2015 года ожидается, что более миллиона электромобилей появятся на дорогах по всему миру, а количество юрисдикций по всему миру, серьезно сосредоточенных на росте продаж электромобилей, растет, поэтому мы можем ожидать значительного роста спроса на литий-ионные батареи. .Стоимость неуклонно снижалась с начала 1990-х годов. Недавний рецензируемый анализ показал, что цены на литий-ионные батареи снижаются примерно на 14 процентов в год с 2007 года, и долгосрочная тенденция также довольно очевидна, с учетом эффекта стандартной кривой обучения, на 6–9 процентов снижения цены. за каждое удвоение объема производства.
Поскольку Tesla продолжает собирать заголовки, давайте взглянем на тенденции роста литий-ионных батарей через призму ожидаемого роста Tesla и посмотрим, сможем ли мы экстраполировать это на глобальную картину.
Tesla планирует производить 500 000 автомобилей в год к 2020 году. При предполагаемой средней мощности 65 киловатт-часов на одно транспортное средство (с учетом как меньшей батареи ожидаемой модели S, так и больших батарей, таких как батареи в P85 и P85D), Для 500 000 аккумуляторов емкостью 65 киловатт-часов в год потребуется 5 миллионов килограммов (5000 метрических тонн) рафинированного лития в год из расчета около 10 килограммов лития на батарею.
Tesla также планирует производить батареи, такие как Powerwall, о которых недавно было объявлено, и батареи для поддержки сетей гораздо большей мощности, а также продавать их третьим сторонам.Ожидаемая годовая потребность Tesla в литии к 2020 году при полном производстве составляет около 8000 метрических тонн.
В рамках безумных предположений давайте предположим, что к 2040 году (или, будем надеяться, гораздо раньше) в мире появится 100 заводов по производству аккумуляторов размером с Tesla. Этого достаточно для производства около 100 миллионов электромобилей в год, плюс тонна стационарных хранилищ (глобальные продажи автомобилей составляют около 80 миллионов в год, поэтому 100 миллионов в год кажутся правильными, если мы включаем много лет продаж в будущем. , с большим населением мира).Если это так и основные требования к батареям не сильно меняются, к 2040 году миру потребуется около 800 000 метрических тонн лития. И это только для производства аккумуляторов, не считая многих других применений лития.
Геологическая служба США произвела оценку запасов лития в начале 2015 года, сделав вывод о том, что в мире достаточно известных запасов примерно на 365 лет при текущей мировой добыче, составляющей около 37000 тонн в год (Рисунок 1). Текущее производство составляет немногим более одной трети керамики, почти одной трети батарей и других видов использования последнюю треть.В том же отчете содержится около 39,5 миллионов метрических тонн «ресурсов», что является менее надежной категорией, чем «запасы». «Ресурсы» включают запасы, которые можно было бы экономически извлечь в какой-то момент в будущем, тогда как оценки запасов относятся к текущей экономической жизнеспособности.
Несмотря на то, что 365 лет резервного предложения звучит очень утешительно, суть революции электромобилей и стационарных хранилищ заключается в том, что текущий спрос резко возрастет, если эти революции действительно произойдут. Сценарий «100 гигафабрик» может сбыться.И если это произойдет, 365-летний запас будет меньше, чем 17-летний (13,5 миллиона тонн запасов, разделенные на 800000 = 16,9 лет).
Рисунок 1: Данные по добыче и запасам USGS (метрические тонны)
Можно ли наращивать литиевые батареи? Согласно этой быстрой и чисто умозрительной математике, короткий ответ с текущими резервами не просто нет, а черт возьми. При известных «ресурсах» лития в 39,5 миллионов тонн мы получаем около 50 лет поставок со 100 гигафабриками, что немного удобнее, но все же не совсем жизнеспособное долгосрочное решение.
Следующий вопрос заключается в том, насколько вероятно, что мировые запасы и ресурсы резко увеличатся.
Пик лития?
Можно с полным основанием ожидать, что запасы и ресурсы лития будут увеличиваться по мере роста рыночного спроса. Но, как и в случае со всеми ограниченными ресурсами, мы можем ожидать, что в какой-то момент мы достигнем пика производства. Я довольно подробно писал о дебатах о пике добычи нефти, поэтому справедливо и рационально применять аналогичную аналитическую линзу к производству лития.
Рынок производства лития все еще является довольно новым рынком, поэтому, хотя Геологическая служба США и другие уже сделали некоторые оценки запасов и ресурсов, пока рано делать какие-либо твердые выводы о будущем открытии и добыче ресурсов. Мы извлекли по крайней мере один урок из дебатов о пике добычи нефти: более высокие цены действительно стимулируют инновации и рост добычи, по крайней мере, они есть в США. Интересно, что почти весь рост мировой добычи нефти произошел за счет увеличения U.С. нефтедобыча. То есть остальному миру с трудом удавалось оставаться на беговой дорожке добычи нефти, даже несмотря на гораздо более высокие цены на нефть.
Несмотря на то, что революция гидроразрыва пласта еще не распространилась за пределы США и, возможно, никогда этого не произойдет, даже значительный рост добычи нефти в США за последние пять лет заставил большинство нефтяников на пике добычи съесть здоровую порцию вороньего пирога. Вскоре они вполне могут выиграть дебаты, но пока побеждают изобилия.
Что касается пикового значения содержания лития, существует существенная разница между этим товаром и маслом, поскольку существует множество готовых заменителей лития, которые можно использовать в производстве батарей.В упомянутом выше отчете USGS говорится: «Замещение соединений лития возможно в батареях, керамике, смазках и промышленном стекле. Примерами являются кальциевое и алюминиевое мыла как заменители стеаратов в консистентных смазках; кальций, магний, ртуть и цинк в качестве анодного материала в первичных батареях; натриевые и калиевые флюсы в керамике и стекле ». Все эти заменители могут столкнуться с такими же ограничениями ресурсов, что и литий, но есть фундаментальная разница между изменением химического состава батарей и поиском заменителей масла в более общем плане.
Весь мир не может работать на машинах
Даже этот небольшой набросок проблемы подчеркивает очевидный вывод: нам нужно сделать все возможное, чтобы уйти от одиночных легковых автомобилей — даже электромобилей — и больше полагаться на умный городской дизайн, прогулки, езда на велосипеде, совместное использование автомобилей, поезда, шаттлы и т. Д.
Слон (-ы) в этой дискуссии — это Китай, Индия и остальные развивающиеся страны. С населением в 1,3 миллиарда человек в Китае уже есть примерно половина автомобилей, чем в США.S., несмотря на то, что она намного менее экономически развита, из-за того, что ее население в четыре раза больше, чем в США, в Индии уровень владения автомобилями даже ниже, чем в Китае, а население почти такое же. На рис. 2 показано резкое неравенство в количестве владельцев автомобилей на душу населения («автомобиль» не включает мотоциклы или другие двухколесные транспортные средства).
Рисунок 2: Количество автомобилей на душу населения (на 1000 человек)
Источник: Википедия, подборка различных наборов данных
Что произойдет, когда Китай, Индия и остальные развивающиеся страны потребуют в массовом порядке за владение личным автомобилем и все связанные с этим привилегии? Что ж, мир определенно не может справиться с этой трансформацией в рамках сегодняшней системы ископаемого топлива, и, скорее всего, он не сможет справиться с ней и в альтернативной системе, ориентированной на электромобили, из-за ограничений ресурсов, описанных выше.Нам нужно хорошо подумать об альтернативах легковым автомобилям, даже если мы признаем, что электромобили намного лучше, чем автомобили с бензиновым двигателем внутреннего сгорания. Мы сталкиваемся с настоящей загадкой, поскольку развивающийся мир стремится стать более похожим на развитый мир.
Тем не менее, есть место для некоторого долгосрочного оптимизма, когда мы смотрим на степень сокращения населения более чем в половине стран мира сегодня. Но, опять же, есть много плохих новостей, смешанных с хорошими, потому что во многих развивающихся странах население будет продолжать расти в течение нескольких десятилетий — времени, в течение которого экономический рост и количество владельцев автомобилей, скорее всего, резко возрастут, если мы сначала не столкнемся с реальными ограничениями ресурсов.
Инвестиции в производство лития?
В этой статье не рассматриваются инвестиционные последствия поставок лития, но я ранее предполагал, что инвестирование в биржевой фонд LIT (ETF) является хорошим способом инвестирования в рынок электромобилей в целом. Ожидается, что по мере роста спроса на литий-ионные батареи будет расти и спрос на литий. Цена на аккумуляторный литий выросла с 5180 долларов за метрическую тонну в 2010 году до 6800 долларов за тонну в 2013 году, немного снизившись до 6600 долларов в 2014 году.Однако, как и на все товары, цена товара зависит как от спроса, так и от предложения.
Цена LIT оставалась довольно стабильной в последние пару лет, даже несмотря на то, что продажи электромобилей и цена самого лития сильно выросли, так что это не тот случай, когда LIT будет расти автоматически с ростом продаж электромобилей. Ясно одно: для инвесторов, желающих владеть частью рынка электромобилей, LIT — это один из вариантов. А степень существенного роста LIT будет отражением того, насколько хорошо мировое производство лития поспевает за спросом.Время от времени мы можем ожидать точек роста, поэтому мы вполне можем увидеть некоторые пики и спады в LIT по мере того, как глобальный рынок электромобилей нагревается.
В анализе Макс Чатско из Motley Fool рассматривается вопрос о том, достаточно ли поставок лития для удовлетворения спроса на гигафабрику Tesla к 2020 году, и делается вывод о том, что маловероятно, что в ближайшие несколько лет будет достаточно увеличения предложения, чтобы хотя бы поддержать единственную фабрику Tesla, не говоря уже о много-много других подобных заводов, которые необходимо будет построить, чтобы удовлетворить спрос, если революция электромобилей действительно начнется в ближайшее десятилетие или два.
Но хотя анализ Motley Fool предполагает, что следующие несколько лет могут быть хорошими для LIT и других инвесторов в литий, они просто предполагают, что ресурсов лития будет достаточно для удовлетворения будущего спроса, основываясь на данных Геологической службы США об известных запасах. Конечно, это другой вопрос, чем краткосрочный анализ, и, как мы видели, похоже, что мы, вероятно, столкнемся с серьезной проблемой в увеличении поставок лития для удовлетворения спроса на электромобили — если электромобили и стационарные хранилища революции взлетают.
***
Там Хант — юрист и писатель, владелец консалтинговой компании по возобновляемым источникам энергии Community Renewable Solutions LLC и автор будущей книги «Солнечная сингулярность: почему наше энергетическое будущее такое яркое».
Хотите доступ к текущим данным и исследованиям, охватывающим цепочку поставок аккумуляторов? Узнайте об услуге Wood Mackenzie по сырью для аккумуляторов здесь.
Автомобильные литий-ионные батареи — Разработки для легковых автомобилей
Johnson Matthey Technol.Ред. , 2015, 59 , (1), 4
1. Введение
Литий-ионные элементы (, рис. 1 ) (1) в их наиболее распространенной форме состоят из графитового анода, литиевого катод из оксида металла и электролит из литиевой соли и органического растворителя. Литий является хорошим выбором для электрохимической ячейки из-за его большого стандартного потенциала электрода (–3,04 В), что приводит к высокому рабочему напряжению (что помогает как в мощности, так и в энергии), а также тому факту, что это металл с самой низкой плотностью (что снижает масса).
Рис. 1.
Схематический вид литий-ионного элемента (1)
Конструкция типичного цилиндрического элемента показана на Рисунок 2 , а Рисунок 3 показывает типичный пакетный элемент. Такие элементы представляют собой относительно легкий и небольшой источник энергии и в настоящее время производятся в очень больших количествах (> 1 миллиарда элементов в год) (2). В автомобильной промышленности литий-ионный аккумулятор состоит из десятков и тысяч отдельных ячеек, собранных вместе для обеспечения необходимого напряжения, мощности и энергии.Отдельные элементы обычно монтируются в несколько модулей, которые затем собираются в полный аккумулятор, как показано на Рисунок 4 .
Рис. 2.
Внутренняя конструкция типичной цилиндрической ячейки (1)
Рис. 3.
Внутренняя конструкция типичной карманной ячейки (1)
Рис. 4.
CAD of разобранный аккумуляторный модуль, собранный модуль и весь аккумуляторный блок (1)
Многие страны в настоящее время установили обязательные целевые показатели выбросов углекислого газа для автомобилей, например, в Европе требования к среднему парку выбросов CO 2 выбросов 130 г км –1 к 2015 г. и 95 г км –1 к 2021 г. (3).В разделе 2 этого документа будет показано, что с помощью (литий-ионного) аккумулятора можно значительно снизить выбросы CO 2 автомобилем. По этой причине в настоящее время в автомобилях используется все больше литий-ионных аккумуляторов.
Данная статья имеет следующую структуру. В Разделе 2 представлен ряд применений литий-ионных аккумуляторов в легковых автомобилях и перечислены их основные требования. В Разделе 3 дается краткий обзор возможностей ряда литий-ионных химических соединений, используемых в настоящее время для автомобильных приложений, а в Разделе 4 будут сравниваться требования (из Раздела 2) с возможностями, перечисленными в Разделе 3.В Разделе 5 будут рассмотрены будущие разработки, а в Разделе 6 представлены некоторые выводы.
2. Применение литий-ионных аккумуляторов в автомобильной промышленности
Аккумуляторы в легковых автомобилях могут применяться в различных областях (4). Те, которые будут здесь рассмотрены, были выбраны либо потому, что они уже используют литий-ионные батареи, либо потому, что потенциально могут сделать это в будущем. Обратите внимание, что существует ряд стандартных автомобильных требований, которым должны соответствовать все литий-ионные аккумуляторы, используемые в автомобилях: они включают срок службы (обычно 8–15 лет), температурный диапазон (от –40 ° C до как минимум + 60 ° C. , в идеале 80 ° C) и виброустойчивость (не менее 4.5 среднеквадратичное ускорение (grms)) (5). Теперь будет кратко описано каждое приложение.
2.1 Пусковое освещение, Зажигание
Пусковое освещение, зажигание (SLI) — это «автомобильный аккумулятор», который был почти в каждом автомобиле в течение последних 100 лет. Обычно это называется «аккумулятор на 12 В», но его нормальное напряжение (при использовании в автомобиле и при зарядке от генератора переменного тока) ближе к 14 В. Практически во всех современных серийных автомобилях это свинцово-кислотный аккумулятор, но есть Есть несколько автомобилей, которые используют литий-ионный аккумулятор либо в стандартной комплектации (например, McLaren P1), либо в качестве опции (например, некоторые модели Porsche).В Porsche Boxster Spyder литий-ионный аккумулятор стоит 1700 долларов США и имеет тот же форм-фактор и точки крепления, что и стандартный свинцово-кислотный аккумулятор, но весит всего 6 кг, что на 10 кг легче, чем свинцово-кислотный вариант. Следует отметить, что Porsche поставляет обычные свинцово-кислотные батареи, а также литий-ионные для использования при низких температурах, когда литий-ионный аккумулятор может не обеспечивать достаточную мощность для запуска двигателя (см. Раздел 3).
2.2 Остановка на холостом ходу
Это система, которая теперь установлена на большинстве европейских транспортных средств, которая выключает двигатель внутреннего сгорания, когда автомобиль неподвижен, и перезапускает его, когда вы собираетесь трогаться с места (4).Он предлагает около 5% экономии топлива при ориентировочной стоимости системы около 350 долларов США (4), что делает его привлекательным решением для производителей оригинального оборудования (OEM), стремящихся соответствовать европейским ограничениям CO 2 на 2015 год. Требования к батарее для этого приложения очень похожи на требования к батарее SLI, но более частые запуск и остановка двигателя требуют более длительного срока службы. Подавляющее большинство аккумуляторов для этого приложения по-прежнему являются свинцово-кислотными, но используется ряд других вариантов, включая ультраконденсаторы и литий-ионные батареи, которые впервые были использованы в 2002 году на вариаторе Toyota Vitz CVT, который, насколько известно автору, был первым серийным автомобилем. использовать литий-ионный аккумулятор.
Многие системы остановки на холостом ходу также интеллектуально управляют генератором переменного тока транспортного средства, например, используя его для выработки максимальной мощности при замедлении транспортного средства (что дает ограниченную степень регенеративной способности торможения), и эти системы часто называют микрогибридами.
2.3 Мягкий гибрид
В мягком гибриде электрическая энергия используется для дополнения энергии от двигателя внутреннего сгорания. Используя подходящую систему управления, чтобы решить, как сочетать эти два источника энергии, можно получить значительную экономию топлива (обычно 10–15%, но на некоторых демонстрационных автомобилях было показано до 30%) при умеренном увеличении мощности системы. стоимость (4).Аккумуляторы для этого приложения требуют лишь небольшого количества энергии и энергии. Большинство аккумуляторов для этого применения в настоящее время представляют собой никель-металлогидридные (NiMH) батареи, при этом литий-ионные батареи впервые были использованы в 2010 году для гибрида Mercedes S400. Поскольку эта статья посвящена литий-ионным батареям, никель-металлгидридные батареи (более старая технология, предлагающая более низкую плотность энергии, чем литий-ионные) не будут здесь подробно рассматриваться.
Обратите внимание, что вскоре ожидается, что количество производимых мягких гибридов значительно увеличится из-за использования систем 48 В в автомобиле.Этот сдвиг обусловлен требованиями европейского флота 2020 CO 2 (3). Использование 48 В было первоначально предложено в 2011 году Audi, BMW, Daimler, Porsche и Volkswagen (6) и привело к стандарту LV 148 (7). Audi недавно заявила, что они ожидают, что такие системы будут производиться в течение следующих двух лет (8), и ожидается, что все системы на 48 В будут основаны на литий-ионных батареях.
Следует также отметить, что большинство автомобилей на топливных элементах также будут гибридами (4). Например, Toyota недавно объявила, что начнет продажи седана на топливных элементах в начале 2015 года, и это мягкий гибрид, использующий небольшую батарею в качестве дополнения к топливному элементу и повышения общей эффективности автомобиля (9).
2.4 Полный гибрид
В случае полного гибрида подход аналогичен подходу к мягкому гибриду, но электрическая мощность и запасенная энергия теперь достаточно высоки, чтобы приводить автомобиль в действие исключительно за счет электроэнергии. Доступная энергия аккумулятора обычно ограничивает дальность действия в этом режиме несколькими километрами. Примером такого автомобиля является Toyota Prius (хотя в настоящее время он использует никель-металлгидридный аккумулятор), который на сегодняшний день является самым успешным гибридным автомобилем, проданным на сегодняшний день. Он имеет запас хода около 1 мили в режиме электромобиля (EV).Экономия расхода топлива в полном гибриде обычно составляет 30-40%, например, на Toyota Yaris 2014 года бензин 1,33 (98 л.с. / 73 кВт) производит 114 г. Км –1 выбросов CO 2 , в то время как гибрид (также 98 л.с. / 73 кВт) достигает 75 г / км –1 , что на 34% меньше.
Аккумуляторы для этого приложения должны обеспечивать большую мощность (чтобы действовать как единственный источник энергии в транспортном средстве) и больше энергии, чем для умеренного гибридного приложения. Большинство применений (по объему) по-прежнему никель-металлгидридные, но значительное количество автомобилей в настоящее время основано на литий-ионных батареях, включая BMW Active Hybrid 3, который может ездить на двоих.5 миль со скоростью до 37 миль в час только на электроэнергии. Гибридный электромобиль (HEV) — это фраза, которая использовалась для описания мягких гибридных и полногибридных транспортных средств и даже применялась к некоторым транспортным средствам с немногим более, чем системой остановки на холостом ходу (микрогибриды).
2.5 Подключаемый гибридный электромобиль
Подключаемый гибридный электромобиль (PHEV) можно рассматривать как полный гибрид с возможностью зарядки аккумулятора от сети. Транспортное средство спроектировано таким образом, чтобы изначально предпочтительно использовать электрическую энергию от его последнего заряда до тех пор, пока он не будет исчерпан, после чего он ведет себя как полностью гибридный автомобиль.Таким образом, энергия, полученная при зарядке от сети, заменяет часть энергии, которая потребовалась бы от жидкого топлива (бензина или дизельного топлива), дополнительно снижая расход топлива (и, следовательно, выбросы CO 2 в выхлопной трубе). VW XL1 — это PHEV, который предлагает 313 миль на галлон и 24 г км –1 CO 2 , но Vauxhall Ampera (GM Volt) и Toyota Prius PHEV (обратите внимание, что Toyota Prius PHEV отличается от стандартного «Toyota Prius, который является полностью гибридным автомобилем», являются более доступными вариантами.Все используют литий-ионные батареи. Энергия, требуемая от аккумулятора, аналогична мощности, необходимой для полного гибрида, но необходимо сохранить больше энергии, чтобы зарядить батарею от сети стоило того.
Для целей этого документа электромобиль с увеличенным запасом хода (REEV) будет считаться типом PHEV.
2.6 Электромобиль
Единственным источником энергии электромобиля является аккумулятор. Примером такого типа автомобилей является Nissan Leaf. У электромобиля нулевые выбросы из выхлопной трубы, хотя, по оценкам, у Leaf выделяется 66.83 г км –1 CO 2 в Великобритании на основе CO 2 , вырабатываемого электросетью, используемой для его заправки. Мощность, требуемая от аккумулятора электромобиля, такая же, как и у PHEV (оба должны иметь возможность приводить в действие автомобиль), но в электромобиле предусмотрено столько энергии, сколько возможно, чтобы обеспечить разумный диапазон (обычно ~ 100 миль). Это большое энергопотребление объясняет требование «низкой стоимости» (в пересчете на доллары США / кВт · ч) для электромобилей в , Таблица I , поскольку стоимость батареи необходимо сравнивать со стоимостью обычного топливного бака (~ 100 евро или ~ 130 долларов США).
Таблица I