Автомобильный аккумулятор как работает: Как работает автоаккумулятор, авто

Ключевые компоненты электромобиля

Батарея (полностью электрическая вспомогательная): В транспортном средстве с электрическим приводом вспомогательная батарея обеспечивает электроэнергией вспомогательное оборудование транспортного средства.

Порт зарядки: Порт зарядки позволяет автомобилю подключаться к внешнему источнику питания для зарядки тягового аккумулятора.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует мощность постоянного тока высокого напряжения от тягового аккумуляторного блока в мощность постоянного тока низкого напряжения, необходимую для работы аксессуаров автомобиля и подзарядки вспомогательной аккумуляторной батареи.

Тяговый электродвигатель: Используя мощность от тягового аккумулятора, этот электродвигатель приводит в движение колеса автомобиля.В некоторых автомобилях используются мотор-генераторы, которые выполняют как приводную, так и регенеративную функции.

Бортовое зарядное устройство: Принимает входящую электроэнергию переменного тока, подаваемую через порт зарядки, и преобразует ее в мощность постоянного тока для зарядки тягового аккумулятора. Он также обменивается данными с зарядным оборудованием и отслеживает характеристики аккумулятора, такие как напряжение, ток, температуру и состояние заряда, во время зарядки аккумулятора.

Контроллер силовой электроники: Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой тяговой батареей, регулируя скорость электрического тягового двигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур двигателя, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Тяговый аккумулятор: Накапливает электроэнергию для использования тяговым электродвигателем.

Трансмиссия (электрическая): Трансмиссия передает механическую энергию от тягового электродвигателя для привода колес.

Что происходит со старыми аккумуляторами электромобилей?

Электромобили (электромобили) — это уже не будущее, а настоящее. В Великобритании запрет на продажу новых бензиновых и дизельных автомобилей к 2030 году ускорил переход на электромобили. «Беспокойство о запасе хода» в электромобилях было признано проблемой для потенциальных водителей электромобилей, при этом 950 миллионов фунтов стерлингов государственного финансирования теперь выделяются на быструю зарядку на станциях технического обслуживания и 1,3 миллиарда фунтов стерлингов на инфраструктуру зарядки электромобилей, включая дома и улицы.Остается одна проблема для потенциальных покупателей электромобилей — что происходит с аккумуляторами электромобилей по истечении срока их службы?

Как работают аккумуляторы электромобилей?

В то время как двигатели внутреннего сгорания получают энергию от сжигания бензина или дизельного топлива, электромобиль питается напрямую от большого блока батарей. Эти батареи для электромобилей совершенно не похожи на тяжелые свинцово-кислотные батареи в обычных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания.

EV намного ближе к аккумуляторам вашего мобильного телефона или ноутбука, но при этом более надежны и имеют значительно увеличенный срок службы.В аккумуляторах электромобилей используется комплект, состоящий из 2000 с лишним отдельных литий-ионных элементов, работающих вместе. В батареях нет металлического лития, только ионы — атомы или молекулы с электрическим зарядом.

При подзарядке автомобиля электричество используется для химических изменений в его батареях. Когда он приводится в движение, батареи используются для разряда энергии.

Грэм Купер, наш директор по обезуглероживанию транспорта, объясняет: «Система управления батареями электромобиля — или BMS — позволяет аккуратно доливать элементы.BMS сохраняет эффективность и срок службы батареи, благодаря чему батареи живут намного дольше, чем у вашего телефона или ноутбука (в котором нет BMS) ».

На сколько хватает заряда аккумулятора электромобиля?

Сотни аккуратно пополняемых ячеек внутри аккумулятора электромобиля означают, что ожидается, что каждый аккумуляторный блок сохранит свою зарядно-разрядную способность от 100 000 до 200 000 миль. Производители настолько уверены в том, что аккумулятор можно использовать на дорогах, что на большинство электромобилей распространяется расширенная гарантия на восемь лет или 100 000 миль.

Аккумулятор переживет машину …

«Аккумулятор переживет автомобиль», — уверенно говорит Грэм Купер. «Сегодня большинство аккумуляторов электромобилей имеют ожидаемый срок службы от 15 до 20 лет в автомобиле — и вторую жизнь после этого».

Также стоит отметить, что технология аккумуляторов для электромобилей все еще развивается, поэтому мы ожидаем, что по мере развития технологий срок службы аккумуляторов будет увеличиваться, а также станет дешевле, меньше и даже легче.

Что происходит с аккумуляторами электромобилей, когда они перестают надежно и быстро приводить в действие автомобили?

Как только аккумулятор электромобиля начинает терять способность приводить в движение транспортное средство на расстоянии, он все еще имеет полезный срок службы.Когда производительность аккумулятора электромобиля падает до 70% или меньше, начинается его «вторая жизнь».

Аккумулятор электромобиля получает вторую жизнь после 100 000–200 000 с лишним миль в пути…

«Аккумулятор электромобиля получает вторую жизнь после 100 000–200 000 с лишним миль в пути», — объясняет Грэм. «Жизнеспособный аккумулятор еще имеет остаточный срок службы, поэтому его можно повесить на задней стене вашего гаража или в шкафу под лестницей в качестве статической аккумуляторной системы хранения энергии, если у вас есть возобновляемый источник энергии, такой как солнечные панели .”

Полезность второй ступени этой аккумуляторной батареи электромобиля в сочетании с возобновляемой энергией означает, что люди могут сэкономить на счетах и ​​увеличить использование чистой энергии , когда солнечный свет уменьшается.

Зеленый цикл для батарей электромобиля?

Помимо накопления энергии в вашем доме или на рабочем месте, в более крупном масштабе бывшие батареи EV могут использоваться для питания промышленных предприятий и улиц. В благоприятном энергетическом цикле, в конечном итоге, фабрики, производящие батареи, могут получать энергию от перепрофилированных батарей.

Производители электромобилей делают большие инвестиции, чтобы дать автомобильным аккумуляторам новую жизнь в крупномасштабных системах хранения аккумуляторов .

Nissan использует устаревшие аккумуляторные батареи для электромобилей для обеспечения резервного питания Амстердамской арены — развлекательного центра, где находится футбольный клуб «Аякс».

Toyota установит бывших в употреблении аккумуляторов для электромобилей возле магазинов в Японии. Батареи будут использоваться для хранения энергии, вырабатываемой солнечными панелями.Накопленная энергия затем будет использоваться для поддержания питания холодильников для напитков, подогревателей пищи и прилавков со свежими продуктами в магазинах.

Renault также объявила, что аккумуляторные батареи для электромобилей Renault Zoe EV будут перепрофилированы для выработки энергии для Powervault — домашней аккумуляторной системы хранения энергии. А Nissan запустил XStorage, используя автомобильные аккумуляторы Nissan Leaf в качестве систем хранения для дома и бизнеса.

Будут ли аккумуляторы электромобилей утилизировать по окончании срока службы?

Да, когда срок службы аккумуляторов электромобилей истечет, они будут отправлены на переработку.Поскольку электромобили занимают лидирующие позиции на наших дорогах — сокращая выбросы парниковых газов и шумовое загрязнение по сравнению с автомобилями, работающими на ископаемом топливе, — продолжается гонка за поиском еще более эффективных методов утилизации, чтобы полностью раскрыть их экологический потенциал.

Выбрасывать аккумуляторы электромобилей на свалку не имеет ни экономического, ни экологического смысла — этого просто не произойдет.

«Рынок активной утилизации аккумуляторов находится в зачаточном состоянии, поскольку автомобильные аккумуляторы настолько надежны и долговечны», — объясняет Грэм.«Но мы можем ожидать огромного роста технологий вторичной переработки. Выбрасывать батареи электромобилей на свалку не имеет ни экономического, ни экологического смысла — этого просто не произойдет ».

Текущие методы плавки и выщелачивания будут усовершенствованы в ближайшие годы, как и конструкции батарей для оптимизации процесса разделения и переработки отработавших батарей. В Великобритании Управление транспортных средств с нулевым уровнем выбросов (OZEV) объявило конкурс на сумму 7 млн ​​фунтов стерлингов для решений для транспортных средств, направленных на решение проблем, связанных с переходом на автомобили с нулевым уровнем выбросов, включая повышение устойчивости.

Бывший технический директор Tesla Дж. Б. Штраубель запустил Redwood Materials , один из множества новых стартапов, стремящихся решить проблему, которой еще не существует; как утилизировать аккумуляторы электромобилей, срок годности которых истек.

Штраубель сказал Wired : «Когда все эти батареи находятся в обращении, кажется совершенно очевидным, что в конечном итоге мы собираемся построить экосистему восстановления».

как мир будет производить достаточно?

Эра электромобилей приближается.Ранее в этом году американский автомобильный гигант General Motors объявил, что он намерен прекратить продажу бензиновых и дизельных моделей к 2035 году. Audi, базирующаяся в Германии, планирует прекратить производство таких автомобилей к 2033 году. Многие другие автомобильные транснациональные корпорации выпустили аналогичные дорожные карты. . Внезапно попытки крупных автопроизводителей электрифицировать свои автопарки превратились в спешку к выходу.

Электрификация личной мобильности набирает обороты, о чем несколько лет назад не могли и мечтать даже ее самые ярые сторонники.Во многих странах правительственные поручения ускорят перемены. Но даже без новой политики или правил половина мировых продаж легковых автомобилей в 2035 году будет приходиться на электроэнергию, согласно данным консалтинговой компании BloombergNEF (BNEF) в Лондоне.

Это масштабное промышленное преобразование знаменует собой «переход от топливоемкой к материалоемкой энергетической системе», как заявило Международное энергетическое агентство (МЭА) в мае ¹ . В ближайшие десятилетия сотни миллионов транспортных средств выйдут на дороги с массивными батареями внутри (см. «Переход на электричество»).И каждая из этих батарей будет содержать десятки килограммов материалов, которые еще предстоит добыть.

Источник: исх. 2

Предвидя мир, в котором будут преобладать электромобили, материаловеды работают над двумя большими проблемами. Один из них — как сократить количество металлов в батареях, которые являются дефицитными, дорогими или проблематичными, поскольку их добыча сопряжена с серьезными экологическими и социальными издержками. Другой — улучшить переработку аккумуляторов, чтобы ценные металлы в отработанных автомобильных аккумуляторах можно было эффективно повторно использовать.«Вторичная переработка будет играть ключевую роль в этом процессе», — говорит Кваси Ампофо, горный инженер, ведущий аналитик BNEF по металлургии и добыче полезных ископаемых.

Производители аккумуляторов и автомобилей уже тратят миллиарды долларов на снижение затрат на производство и переработку аккумуляторов электромобилей (электромобилей) — отчасти благодаря государственным стимулам и ожиданиям предстоящих нормативных актов. Национальные спонсоры исследований также основали центры по изучению более эффективных способов производства и переработки батарей. Поскольку в большинстве случаев добывать металлы по-прежнему дешевле, чем их переработка, ключевая цель состоит в разработке процессов извлечения ценных металлов с достаточно низкой стоимостью, чтобы конкурировать с только что добытыми.«Больше всего говорят о деньгах», — говорит Джеффри Спангенбергер, инженер-химик из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который руководит финансируемой США инициативой по переработке литий-ионных аккумуляторов под названием ReCell.

Первой задачей исследователей является сокращение количества металлов, которые необходимо добывать для батарей электромобилей. Количество различается в зависимости от типа аккумулятора и модели автомобиля, но один автомобильный литий-ионный аккумулятор (типа, известного как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальт, согласно данным Аргоннской национальной лаборатории.

Аналитики не ожидают в ближайшее время отказа от литий-ионных аккумуляторов: их стоимость упала настолько резко, что они, вероятно, станут доминирующей технологией в обозримом будущем. Сейчас они в 30 раз дешевле, чем тогда, когда они впервые вышли на рынок в качестве небольших портативных батарей в начале 1990-х годов, даже несмотря на то, что их производительность улучшилась. BNEF прогнозирует, что стоимость литий-ионных аккумуляторных батарей для электромобилей к 2023 году упадет ниже 100 долларов США за киловатт-час, что примерно на 20% ниже, чем сегодня (см. «Резкое снижение стоимости аккумуляторов»).В результате электромобили, которые по-прежнему дороже обычных, должны достичь паритета цен к середине 2020-х годов. (По некоторым оценкам, электромобили уже дешевле, чем автомобили с бензиновым двигателем в течение всего срока их службы, благодаря меньшей стоимости питания и обслуживания.)

Для производства электричества литий-ионные батареи перемещают ионы лития из одного слоя, называемого анодом, в другой, катод. Они разделены еще одним слоем — электролитом. Катоды — это главный ограничивающий фактор в характеристиках аккумуляторов, и именно в них находятся самые ценные металлы.

Катод типичного литий-ионного аккумуляторного элемента представляет собой тонкий слой слизи, содержащей микромасштабные кристаллы, которые часто похожи по структуре на минералы, встречающиеся в естественной коре или мантии Земли, такие как оливины или шпинели. Кристаллы соединяют отрицательно заряженный кислород с положительно заряженным литием и различными другими металлами — в большинстве электромобилей это смесь никеля, марганца и кобальта. Перезарядка батареи вырывает ионы лития из этих кристаллов оксида и притягивает ионы к аноду на основе графита, где они хранятся, зажатые между слоями атомов углерода (см. «Электрическое сердце»).

Источник: адаптировано из G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) и G. Предложение et al. Природа 582 , 485–487 (2020).

Литий сам по себе не в дефиците. В июньском отчете BNEF ² подсчитано, что текущие запасы этого металла — 21 миллион тонн, по данным Геологической службы США — достаточны для перехода на электромобили до середины века. А запасы — это податливая концепция, потому что они представляют собой количество ресурса, который можно экономично добыть при текущих ценах и с учетом текущих технологий и нормативных требований.Для большинства материалов, если спрос возрастет, в конечном итоге тоже появятся запасы.

По словам Ампофо, по мере того как автомобили электрифицируются, проблема заключается в увеличении производства лития для удовлетворения спроса. «В период с 2020 по 2030 год он вырастет примерно в семь раз».

Это может привести к временному дефициту и резким колебаниям цен, говорит он. Но икота на рынке не изменит картину в долгосрочной перспективе. «По мере наращивания производственных мощностей этот дефицит, вероятно, исчезнет сам», — говорит Хареш Камат, специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто, Калифорния.

Солевые месторождения на заводе по производству лития на солончаках Уюни в Потоси, Боливия Фото: Карлос Бесерра / Bloomberg / Getty

Увеличение добычи лития несет в себе собственные проблемы для окружающей среды: существующие формы добычи требуют большого количества энергии (для лития, извлекаемого из породы) или воды (для извлечения из рассолов). Но более современные методы извлечения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной энергии для управления процессом считаются более безопасными.И, несмотря на этот ущерб окружающей среде, добыча лития поможет заменить разрушительную добычу ископаемого топлива.

Исследователей больше беспокоит кобальт, который является наиболее ценным ингредиентом современных аккумуляторов электромобилей. Две трети мировых запасов добываются в Демократической Республике Конго. Активисты-правозащитники выразили обеспокоенность по поводу условий там, в частности по поводу детского труда и вреда для здоровья рабочих; как и другие тяжелые металлы, кобальт токсичен при неправильном обращении.Можно использовать альтернативные источники, такие как богатые металлами «конкреции», обнаруженные на морском дне, но они представляют свою собственную опасность для окружающей среды. Никель, еще один важный компонент аккумуляторов электромобилей, также может столкнуться с нехваткой ³ .

Чтобы решить проблемы с сырьем, ряд лабораторий экспериментировали с катодами с низким содержанием кобальта или без кобальта. Но материалы катода должны быть тщательно спроектированы так, чтобы их кристаллические структуры не разрушались, даже если более половины ионов лития удаляется во время зарядки.А полный отказ от кобальта часто снижает удельную энергию батареи, говорит ученый-материаловед Арумугам Мантирам из Техасского университета в Остине, потому что он изменяет кристаллическую структуру катода и то, насколько прочно он может связывать литий.

Мантирам принадлежит к числу исследователей, которые решили эту проблему — по крайней мере, в лаборатории — показав, что кобальт можно удалить с катодов без ущерба для рабочих характеристик. ⁴ . «Материал, не содержащий кобальта, о котором мы сообщаем, имеет ту же кристаллическую структуру, что и оксид лития-кобальта, и, следовательно, такую ​​же плотность энергии» или даже лучше, — говорит Мантирам.Его команда добилась этого, отрегулировав способ производства катодов и добавив небольшие количества других металлов, сохранив при этом кристаллическую структуру оксида кобальта катода. Мантирам говорит, что внедрение этого процесса на существующих заводах должно быть несложным, и основал новую фирму под названием TexPower, чтобы попытаться вывести ее на рынок в течение следующих двух лет. Другие лаборатории по всему миру работают над безкобальтовыми батареями: в частности, новаторский производитель электромобилей Tesla, базирующийся в Пало-Альто, Калифорния, заявил, что планирует исключить металл из своих аккумуляторов в ближайшие несколько лет.

Сунь Янг-Кук из Университета Ханян в Сеуле, Южная Корея, — еще один ученый-материаловед, добившийся аналогичных показателей в работе с бескобальтовыми катодами. Sun говорит, что при создании новых катодов могут остаться некоторые технические проблемы, потому что процесс основан на переработке богатых никелем руд, для чего может потребоваться дорогая атмосфера чистого кислорода. Но многие исследователи теперь считают проблему кобальта по существу решенной. Мантирам и Сан «показали, что можно делать действительно хорошие материалы без кобальта, и [они] работают очень хорошо», — говорит Джефф Дан, химик из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада.

Рабочие добывают кобальт возле шахты между Лубумбаши и Колвези в Демократической Республике Конго Фото: Федерико Скоппа / AFP / Getty

Никель, хотя и не такой дорогой, как кобальт, тоже не дешев. Исследователи тоже хотят его удалить. «Мы решили проблему нехватки кобальта, но из-за того, что мы так быстро наращиваем объемы, мы идем прямо к проблеме никеля», — говорит Гербранд Седер, ученый-материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния.Но удаление как кобальта, так и никеля потребует перехода на совершенно другие кристаллические структуры катодных материалов.

Один из подходов — использовать материалы, называемые неупорядоченными каменными солями. Они получили свое название из-за своей кубической кристаллической структуры, которая похожа на структуру хлорида натрия, где кислород играет роль хлора, а смесь тяжелых металлов заменяет натрий. За последнее десятилетие команда Седера и другие группы показали, что определенные богатые литием каменные соли позволяют литию легко входить и выходить, что является важным свойством для повторной зарядки ⁵ .Но, в отличие от обычных катодных материалов, неупорядоченные каменные соли не требуют, чтобы кобальт или никель оставались стабильными во время этого процесса. В частности, они могут быть сделаны из марганца, который дешев и в большом количестве, говорит Седер.

Если батареи будут производиться без кобальта, исследователи столкнутся с непредвиденными последствиями. Металл является основным фактором, который делает переработку аккумуляторов экономичной, поскольку добыча других материалов, особенно лития, в настоящее время обходится дешевле, чем переработка.

На типичном заводе по переработке аккумуляторы сначала измельчаются, в результате чего элементы превращаются в порошкообразную смесь всех используемых материалов. Затем эта смесь распадается на элементарные составляющие либо путем сжижения в плавильном заводе (пирометаллургия), либо путем растворения в кислоте (гидрометаллургия). Наконец, металлы осаждаются из раствора в виде солей.

Механический измельчитель батарейных модулей, показанный на этом фото, на заводе по переработке отходов в Дузенфельде в Германии Фото: Вольфрам Шролл / Duesenfeld

Исследования были сосредоточены на улучшении процесса, чтобы сделать переработанный литий экономически привлекательным.Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее; соответственно, возможности вторичной переработки там растут быстрее всего. Например, расположенная в Фошане компания Guangdong Brunp — дочерняя компания CATL, крупнейшего в Китае производителя литий-ионных элементов — может перерабатывать 120 000 тонн батарей в год, по словам представителя компании. Это эквивалент того, что будет использоваться в более чем 200 000 автомобилей, и компания способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Политика правительства способствует этому: в Китае уже есть финансовые и нормативные стимулы для компаний, производящих аккумуляторные батареи, которые получают материалы у компаний по переработке, а не импортируют только что добытые, — говорит Ханс Эрик Мелин, управляющий директор консалтинговой компании Circular Energy Storage в Лондоне.

Европейская комиссия предложила строгие требования по переработке аккумуляторов, которые могут быть введены поэтапно с 2023 года — хотя перспективы блока по развитию отечественной индустрии переработки являются неопределенными. ⁶ . Администрация президента США Джо Байдена, тем временем, хочет потратить миллиарды долларов на развитие отечественной индустрии производства аккумуляторов для электромобилей и поддержку утилизации, но еще не предложила правила, выходящие за рамки существующего законодательства, классифицирующие аккумуляторы как опасные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. .Некоторые начинающие компании в Северной Америке заявляют, что они уже могут извлекать большую часть металлов из аккумуляторных батарей, включая литий, по затратам, которые конкурентоспособны с затратами на их добычу, хотя аналитики говорят, что на данном этапе общая экономическая выгода только потому, что кобальт.

Измельченный аккумуляторный порошок, или «черная масса», очищается от пластин на предприятии по переработке аккумуляторов Li-Cycle в Кингстоне, Онтарио, Канада. Фото: Christinne Muschi / Bloomberg / Getty

Более радикальный подход состоит в том, чтобы повторно использовать катодные кристаллы, а не разрушать их структуру, как это делают гидро- и пирометаллургия.ReCell, совместное предприятие стоимостью 15 миллионов долларов США, которым управляет Спангенбергер, включает три национальных лаборатории, три университета и множество игроков отрасли. Он разрабатывает методы, которые позволят переработчикам извлекать катодные кристаллы и перепродавать их. Одним из важнейших шагов после того, как батареи были измельчены, является отделение катодных материалов от остальных с помощью тепла, химикатов или других методов. «Причина, по которой мы с таким энтузиазмом относимся к сохранению кристаллической структуры, заключается в том, что для ее создания потребовалось много энергии и ноу-хау.В этом заключается большая ценность », — говорит Линда Гейнс, физико-химик из Аргонна и главный аналитик ReCell.

Эти методы обработки работают с различными кристаллическими структурами и составами, говорит Гейнс. Но если центр переработки получает поток отходов, который включает в себя многие типы батарей, различные типы катодного материала в конечном итоге попадут в котел для переработки. Это может усложнить попытки выделить различные типы катодных кристаллов. Хотя процессы, разработанные ReCell, позволяют легко отделить никель, марганец и кобальт от других типов ячеек, таких как, например, те, которые используют фосфат лития-железа, им будет трудно разделить два типа, которые оба содержат кобальт и никель, но в разных пропорции.По этой и другим причинам, для аккумуляторов будет крайне важно иметь какой-то стандартизированный штрих-код, который сообщает переработчикам, что находится внутри, говорит Спангенбергер.

Рабочий автомобильной фирмы Renault готовится разобрать аккумулятор. Компания заявляет, что перерабатывает все свои аккумуляторы для электромобилей — на данный момент всего пару сотен в год Фото: Оливье Геррен, Photothèque Veolia

Еще одно потенциальное препятствие заключается в том, что химический состав катодов постоянно развивается.Катоды, которые производители будут использовать через 10–15 лет — в конце жизненного цикла современных автомобилей — вполне могут отличаться от нынешних. Самый эффективный способ получить материалы — это для производителя собрать свои собственные батареи в конце жизненного цикла. И батареи должны разрабатываться с нуля так, чтобы их было легче разбирать, добавляет Гейнс.

Специалист по материалам Эндрю Эбботт из Университета Лестера, Великобритания, утверждает, что переработка будет намного более прибыльной, если она пропускает стадию измельчения и напрямую разбирает элементы.Он и его сотрудники разработали метод разделения катодных материалов с помощью ультразвука ⁷ . Это лучше всего работает в аккумуляторных элементах, которые упакованы плоско, а не свернуты (как обычные «цилиндрические» элементы), и, добавляет Эбботт, может сделать переработанные материалы намного дешевле, чем первичные добытые металлы. Он участвует в правительственной программе Великобритании по исследованию устойчивости батарей под названием ReLiB стоимостью 14 миллионов фунтов стерлингов (19 миллионов долларов США).

Какие бы процессы переработки не стали стандартными, масштабирование поможет.По словам Мелина, хотя в сообщениях СМИ надвигающийся поток отработанных аккумуляторов описывается как надвигающийся кризис, аналитики видят в этом большие возможности. Как только у миллионов больших батарей закончится срок службы, появится эффект масштаба, который сделает переработку более эффективной, а экономическое обоснование этого — более привлекательным.

Трубопровод для производства электромобилей на заводе Nio в Хэфэе, Китай Фото: Цилай Шен / Bloomberg / Getty

Аналитики говорят, что пример свинцово-кислотных аккумуляторов — тех, которые запускают бензиновые автомобили — дает повод для оптимизма.Поскольку свинец токсичен, эти батареи классифицируются как опасные отходы и подлежат безопасной утилизации. Но вместо этого была создана эффективная промышленность, в которой их перерабатывают, даже несмотря на то, что свинец дешев. «Более 98% свинцово-кислотных аккумуляторов восстанавливаются и перерабатываются», — говорит Камат. «Ценность свинцово-кислотного аккумулятора даже ниже, чем у литий-ионного аккумулятора. Но из-за объема в любом случае есть смысл утилизировать », — говорит Мелин.

Может пройти некоторое время, прежде чем рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет своего полного размера, отчасти потому, что эти аккумуляторы стали исключительно долговечными: нынешние автомобильные аккумуляторы могут прослужить до 20 лет, говорит Камат.В типичном электромобиле, продаваемом сегодня, аккумуляторная батарея переживет автомобиль, в который он был встроен, говорит Мелин.

Это означает, что когда старые электромобили отправляются на металлолом, аккумуляторы часто не выбрасывают и не перерабатывают. Вместо этого их вынимают и повторно используют для менее требовательных приложений, таких как стационарные накопители энергии или приводы лодок. После десяти лет использования автомобильный аккумулятор, такой как Nissan Leaf, который первоначально имел 50 киловатт-часов, потеряет максимум 20% своей емкости.

Другой майский отчет МЭА, организации, известной своими исторически осторожными прогнозами, включал дорожную карту ⁸ по достижению к середине века чистых нулевых выбросов в мире, которая включает в себя переход на электрический транспорт в качестве краеугольного камня. Уверенность в том, что это достижимо, отражает растущий консенсус среди политиков, исследователей и производителей в отношении того, что проблемы электрификации автомобилей теперь полностью решаемы — и что если мы хотим иметь хоть какую-то надежду удержать изменение климата на управляемом уровне, нельзя терять время. .

Но некоторые исследователи жалуются, что электромобили, кажется, соответствуют невыполнимым стандартам с точки зрения воздействия их батарей на окружающую среду. «Было бы неудачно и контрпродуктивно отказываться от хорошего решения, настаивая на идеальном решении», — говорит Камат. «Это, конечно, не означает, что мы не должны активно работать над вопросом утилизации батарей».

Аккумуляторы для электромобилей | Все, что вам нужно знать

Отчет Международного энергетического агентства (МЭА), опубликованный в 2018 году, показывает, что углеродный след транспорта составляет около 30% глобальных выбросов парниковых газов (GGE). Во всем мире принимаются все более строгие правила по выбросам транспортных средств. Европейский Союз (ЕС) взял на себя обязательство сократить выбросы парниковых газов на 60% по сравнению с уровнями 1990 года к 2050 году, и переход к устойчивой мобильности и электрификации транспорта становится все более актуальным.

СТРЕЛА И ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

Электромобили не выделяют загрязняющих газов и необходимы для декарбонизированного будущего. Об этом свидетельствует постепенный рост продаж: 2.В 2019 году было продано 2 миллиона электромобилей, что на 10% больше, чем в 2018 году, , так что теперь каждый 40 проданных автомобилей может быть подключен к электросети. Из них 74% — это электромобили, работающие только от батарей (BEV), а остальные 26 % — это гибридные электромобили с подзарядкой от сети (PHEV).

Все согласны с тем, что будущее транспорта будет за электричеством. Однако, по мнению экспертов, остаются без ответа два вопроса, а именно: , когда продажи электромобилей обгонят продажи автомобилей внутреннего сгорания и какой тип аккумуляторов будет обеспечивать наилучшие характеристики? Согласно годовому отчету Bloomberg New Energy Finance (BNEF) по электромобилям, ожидается, что в течение следующего десятилетия продажи будут продолжать расти. Стоимость покупки электромобиля также становится более доступной. Действительно, по данным Bloomberg, к 2022 году электромобили будут дешевле, чем эквивалентные бензиновые версии.

Одним из важных аспектов революции в области электромобильности стало падение цен на литий-ионные батареи, которые доминировали на рынке в последние годы.По данным BNEF, цена этого типа батареи упала с 1100 долларов за киловатт-час (кВтч) в 2010 году до 156 долларов в 2019 году (-87%) и, как ожидается, упадет до 100 долларов к 2024 году.

Глобальный рост рынка электромобилей.

СМОТРЕТЬ ИНФОРМАЦИЮ: Глобальный рост рынка электромобилей [PDF]

Помимо защиты окружающей среды, электромобили имеют и другие преимущества по сравнению с автомобилями внутреннего сгорания, что делает их чрезвычайно привлекательными для покупателей:

Меньше поломок

Без традиционный двигатель, коробка передач или сцепление, неисправности этого типа значительно сокращаются.

Простое обслуживание

С более простой механикой, чем у автомобилей внутреннего сгорания, обслуживание проще.

Меньшее потребление

При зарядке в гараже на ночь проезд на 100 километров (км) стоит от пятидесяти центов до одного евро, что намного экономичнее, чем у традиционного автомобиля.

Меньше ограничений

Загрязнение вынудило правительства ввести строгие условия в отношении транспортных средств в центрах городов. Это не относится к электромобилям, которые могут свободно передвигаться.

Налоговые льготы

Во многих странах электромобили пользуются льготным режимом по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, например без регистрационного сбора, без дорожного налога и т.д.

Аккумулятор электромобиля — это аккумулятор энергии, в котором хранится электричество для передачи в двигатель переменного или постоянного тока. Однако его важность намного больше, чем это. Аккумулятор — это то, что делает эти автомобили устойчивыми, что избавляет их от зависимости от ископаемого топлива.Батареи находятся в центре внимания покупателей: запас хода автомобиля — расстояние, которое автомобиль может проехать, прежде чем потребуется зарядка, — время зарядки и цена.

За последнее десятилетие мир аккумуляторов пережил беспрецедентную революцию. В результате средний диапазон электромобилей значительно увеличился, устраняя так называемое беспокойство о запасе хода — страх покупателей застрять на обочине дороги из-за ограниченного пробега — что сдерживало продажи.Тем не менее, запас хода — не единственная область аккумуляторов, в которой был достигнут прогресс: время зарядки также было улучшено — с быстрой зарядкой всего за десять минут — что повысило их эффективность и срок службы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Аккумуляторы для электромобилей имеют несколько особенностей. К основным из них относятся:

Плотность

Количество энергии, которое батарея может хранить в зависимости от ее веса. Чем больше плотность, тем больше емкость и больше запас хода автомобиля.Выражается в Втч / кг (ватт-часы на килограмм).

Напряжение

Мощность, которую батарея может выдать на килограмм веса батареи, поэтому выражается в Вт / кг (Вт на кг). Чем больше мощность, тем выше производительность автомобиля.

КПД

Производительность аккумулятора, то есть процент энергии, которую он способен отдать, по отношению к энергии, вводимой в процесс зарядки.

Жизненный цикл

Количество раз, которое аккумулятор может быть заряжен и разряжен перед заменой, поскольку он теряет емкость.Чем больше циклов у батареи, тем дольше она прослужит.

Скорость зарядки

Время зарядки. Существует три типа зарядки, время которой зависит от модели автомобиля: быстрая (10-40 минут), быстрая (1,5-3 часа) и медленная (5-8).

КАК ПРОДЛИТЬ СРОК СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ

Согласно исследованию, проведенному Geotab в 2019 году, электромобилей теряют в среднем 2,3% своего запаса хода ежегодно. Вот основные шаги по уходу за аккумулятором электромобиля:

• Избегайте полной зарядки и разрядки аккумулятора, как в мобильных телефонах и портативных компьютерах.
• Заряжайте свой автомобиль с помощью интеллектуальных зарядных устройств и, по возможности, медленного зарядного устройства — быстрая зарядка сокращает срок службы аккумулятора на 1% при частом использовании -.
• Электромобили лучше всего подходят для городских условий. Разгоняйтесь плавно и не паркуйтесь на солнце, чтобы не сработала система терморегулирования.
• Тормозная система помогает заряжать аккумулятор, поэтому чем больше вы используете тормоза, тем больший запас хода он имеет.

ПОСЛЕДНИЕ БАТАРЕИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Аккумуляторы постоянно совершенствуются.Недавно швейцарский стартап Innolith AG объявил о разработке более плотной батареи без увеличения веса или размера, способной хранить больше энергии и увеличивать дальность действия до 1000 км. Секрет: литиевые батареи с негорючими электролитами. Группа исследователей из Мельбурнского университета объявила о разработке литиево-серной батареи с таким же диапазоном.

Твердотельные батареи на основе электролитов также могут занимать лидирующие позиции в секторе , потому что они дешевле, легче и меньше, увеличивают плотность энергии и не нуждаются в системах безопасности для предотвращения нагрева.Другие источники указывают на то, что батареи с кремниевыми анодами могут хранить до десяти раз больше энергии, чем литиевые, а анодные материалы на основе графена могут увеличивать емкость батареи и резко сокращать время зарядки с плотностью энергии и сроком службы в два раза больше, чем у литиевых.

Часы тикают от аккумуляторов электромобилей

Шасси нового экологичного автомобиля Chevrolet Volt electric plus gas от General Motors. AFP … [+] ФОТО / Фредерик Дж. Браун (фото следует читать: ФРЕДЕРИК Дж.КОРИЧНЕВЫЙ / AFP / Getty Images)

Вы должны где-то провести черту, поэтому я выберу 2012 год. Именно тогда Tesla всерьез начала выпускать Model S и большие аккумуляторные батареи, которые питают ее. Конечно, до Model S были электромобили, но их было немного, и я не могу вспомнить ни одного, в котором использовались бы такие большие или сложные пакеты, как P85 и его товарищи по конюшне. Итак, 2012 год.

Семь лет спустя, как держатся эти большие батареи? Что владельцы электромобилей могут ожидать от них в ближайшие годы? А что произойдет, когда срок их службы истечет?

Плюс еще больший вопрос: что будет дальше с аккумуляторными технологиями?

Состояние заряда

Недавно на Reddit появилась ветка, в которой пользователь написал, что батарея его Tesla показала лишь крошечную степень деградации после многих лет службы и 72000 миль.Он был одним из первых покупателей тогда еще малоизвестной Model S (которая вышла в 2012 году), и он утверждает, что с тех пор, как он купил машину в том же году, он потерял всего около двух процентов мощности, что привело к потере всего лишь несколько миль диапазона. Сотни комментариев сопровождаются рассказами, как похожими, так и несопоставимыми, но, похоже, все согласны с тем, что владельцы Tesla не обнаруживают, что их батареи испортились на 50% за пять лет, как утверждали некоторые скептики. В общем, все было наоборот; Большинство комментаторов заявили, что их батареи потеряли всего несколько процентных пунктов емкости с момента появления новых, а некоторые говорят, что потеряно более 10%.В оригинальном плакате говорилось, что его единственное реальное руководство по «уходу за батареями» — это зарядка до 90%, а не до 100%, что Tesla и другие автопроизводители электромобилей не рекомендуют делать, если для длительной поездки не требуется немедленная максимальная дальность действия.

Но верно ли, что производительность батареи, указанная в сообщении Reddit, хотя все это не подтверждено, для каждой Tesla или всех электромобилей? Аккумулятор — один из самых дорогих компонентов электрифицированного автомобиля, так как долго владельцы могут рассчитывать на то, что он прослужит? Пока что кажется, что они держатся, иначе у Tesla будет пиар-катастрофа.Но время идет: Tesla дает гарантию на батарею и трансмиссию в течение восьми лет, а это означает, что у некоторых первых пользователей истекает срок гарантии. Будет интересно посмотреть, как будут жить эти Tesla и другие владельцы электромобилей по мере того, как накапливаются годы и мили.

Аккумулятор 101

Любая «батарея» — это, конечно, накопитель энергии. Он не генерирует энергию, он просто сохраняет энергию для дальнейшего использования. Современные батареи прошли долгий путь за короткое время. Переход от 160-летних свинцово-кислотных аккумуляторов, подобных тем, которые до сих пор используются под капотом большинства автомобилей с бензиновым двигателем, на литий-ионные элементы, которые в наши дни питают практически все, — это инновация 1990-х годов.

Мы пользуемся популярностью сотовых телефонов и портативных компьютеров, в значительной степени благодаря их быстрому развитию литий-ионных аккумуляторов. Без разработки литий-ионной формулы большая часть технологий, которыми мы сейчас пользуемся, от электромобилей и смартфонов до зеркальных фотокамер и электронных ручек (и многое другое), не существовала бы, или, по крайней мере, не такими удобными способами, которыми мы стали. привыкли и полагаться на. Представьте, что в вашем смартфоне работает полдюжины щелочей AAA. Наверное, часа не хватит, а форм-фактор? Нет, спасибо.

В электромобиле «батарея» на самом деле состоит из сотен или тысяч батареек меньшего размера, обычно цилиндрического типа, которые выглядят как элементы размера AA, иногда называемые 18650 элементами. Они обладают большой мощностью и в совокупности могут толкать двухтонный автомобиль по дороге на сотни миль на скоростях шоссе. Очень впечатляет.

Но аккумуляторные батареи любого типа по-прежнему борются с общими проблемами: деградация с течением времени, которая влияет на способность удерживать заряд, длительное время зарядки и бесчисленные «передовые методы», которым необходимо следовать, чтобы продлить срок службы батареи, даже если эти методы сохраняются. аккумулятор от работы в полную силу.Вы знаете, что они из себя представляют: не загоняйте их полностью. Не делайте их слишком горячими. Не протыкайте их !! Используйте только одобренное зарядное устройство / кабель / штуковину и, как правило, не пытайтесь заменить их самостоятельно.

Что касается электромобилей, то контрольный список также включает в себя отказ от привычки постоянно полностью заряжать до 100% (обычно рекомендуется 80%) и не доводить их до нуля, чтобы не допустить падения напряжения настолько, что аккумулятор повредится или «Безвозвратно». Причина в том, что такие методы могут ускорить медленный процесс деградации, который ограничивает количество энергии, которое может удерживать батарея, или даже блокировать батарею с точки зрения низкого напряжения.И со временем емкость накопителя только уменьшается и (пока) не восстанавливается, а также уменьшается мощность, которую батарея может выдать за один раз, что влияет на пиковую мощность двигателя и ускорение. Пока в какой-то момент он не станет настолько плохим, что его придется заменить. И что?

Переработка и повторное использование

В настоящее время не существует стандартизированной организации по переработке использованных аккумуляторов электромобилей. Однако некоторые страны, особенно Китай, видят в этом не проблему, а возможность.К счастью, литий-ионные аккумуляторы подходят для вторичной переработки, и их можно превратить в … большее количество аккумуляторов. Ранние признаки указывают на то, что «выбрасывать» использованные батареи электромобилей, которые зачастую не «израсходованы», может оказаться более дорогостоящим (и экологически опасным).

Когда износ аккумулятора достигает 70 процентов, большинство людей выбирают замену аккумулятора или замену автомобиля. В любом случае, когда 70% батареи все еще работает, переработка ее имеет гораздо больше смысла, чем просто бросить ее где-нибудь в яму, особенно с учетом стоимости используемых материалов.

, учитывая их технологическую родословную, вероятно, будут следовать общей дуге большинства технических продуктов: со временем они станут и лучше, и дешевле. А переработка и утилизация отходов, вероятно, станет крупным бизнесом, так же как переработка металлов сегодня является огромной отраслью. Это не значит, что все эти вещи будут происходить автоматически, но поскольку в аккумуляторах используются довольно дорогие материалы, те, кто стремится восстановить материалы для прибыльной перепродажи, будут продолжать совершенствовать свои методы, повышая эффективность, возможно, до такой степени, что возникнет проблема утилизации блоков питания. становится основным соображением в их первоначальном дизайне.В этот момент батареи для электромобилей могут приблизиться к достижению производственного цикла «замкнутого цикла», который требует минимум нового материала для изготовления новой батареи.

Что дальше (возможно)

На прошлой неделе Wired отметила, что Tesla подала патенты на новый тип литий-ионных аккумуляторов, срок службы которых в их автомобилях составляет миллион миль. Ключ, похоже, заключается в изменении рецептуры литий-ионных аккумуляторов. По сути, это эволюция технологии аккумуляторов, которую мы имеем сейчас, а не совершенно новая идея.Это случится? Если патенты будут предоставлены, это может означать новую эру в области питания от батарей. Как вы можете себе представить, с ростом популярности электромобилей и потребностью во все большем количестве аккумуляторов для наших технических игрушек, гонка продолжается, чтобы найти новые составы аккумуляторов, чтобы заменить надежные, но в конечном итоге ограниченные возможности литий-ионных аккумуляторов. Уже есть некоторые альтернативы, но многие производители электромобилей и разработчики аккумуляторов считают твердотельную батарею святым Граалем аккумуляторных технологий.

Что в этом такого хорошего? Твердотельный аккумулятор мог бы в значительной степени решить все известные проблемы с аккумулятором: по замыслу, он имел бы огромную емкость, позволяющую легко проехать более 1000 миль для автомобилей. Время зарядки могло быть таким же, как и время остановки бензина. С экономией на масштабе их производство может быть недорогим — и со временем они станут дешевле. Они могут оказаться очень легкими по весу и очень безопасными благодаря своей «прочной» конструкции.

Проблема в том, что никто не совсем уверен, как сделать тот, который работает как нынешние литий-ионные элементы, хотя есть много игроков, которые хотят решить эту проблему.Поиск ответа может вызвать полное переосмысление того, как мы питаем практически все, что требует батареи или жидкого топлива. Таковы перспективы твердотельной батареи. Многие компании вкладывают огромные деньги в исследования и разработки твердотельных батарей, поскольку создание надежного продукта может произвести революцию в мире во многом так же, как лампочка.

Как производятся аккумуляторы для электромобилей?

Делиться

Как производятся аккумуляторы для электромобилей?

Электромобили определяют будущее автомобильной промышленности.

Итак, мы составили серию мини-руководств по аккумуляторам электромобилей, чтобы вы лучше понимали, как они сделаны, как работают и что с ними происходит, когда они выполнили свою работу и запитали вашу машину на долгое время. последние 10 лет.

Итак, начнем сначала с того, как делаются батарейки!

А теперь не волнуйтесь — мы не отвезем вас обратно в школу на сложный урок науки о том, как производятся аккумуляторы для электромобилей. Вместо того, чтобы делать его сверхтехнологичным, мы попытаемся сделать его простым, но при этом научим вас самому сердцу вашего электромобиля: батарее.

Литий-ионные батареи — наиболее распространенные типы батарей, используемых в электромобилях — состоят из определенных элементов, включая углерод или графит, оксид металла и соль лития. Эти элементы составляют положительный и отрицательный электроды и в сочетании с электролитом вырабатывают электрический ток, который заставляет аккумулятор работать для питания вашего автомобиля и вращения колес. Это также тот же аккумулятор, который вы найдете в ваших повседневных технологиях, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, — только в большем масштабе!

Прелесть того, как производятся аккумуляторы для электромобилей, заключается в том, что 80% компонентов подлежат вторичной переработке, поэтому, когда ваша батарея подходит к концу своего жизненного цикла, ее можно разобрать, чтобы отделить сырье для их повторного использования — но это будет будут рассмотрены в третьей части нашей серии аккумуляторов для электромобилей, поэтому мы не будем вдаваться в подробности здесь.

а где делаются батарейки?

Всего в 2 часах езды от границы с Шотландией, в Сандерленде находится один из крупнейших аккумуляторных заводов в Европе, где Nissan производит литий-ионные аккумуляторы. Здесь они уже произвели аккумуляторы для собственного электромобиля; Nissan LEAF. Завод также получил награду за производство электрических аккумуляторов будущего поколения, поэтому мы можем ожидать, что здесь будет производиться много аккумуляторов.

Великобритания приближается к тому, чтобы стать основным поставщиком материалов и оборудования для производства аккумуляторов, а правительство и автомобильная промышленность работают над созданием завода по производству аккумуляторных элементов.

Глава Центра перспективных силовых установок Ян Констанс сказал, что «автомобильная и химическая отрасли имеют« возможности объединиться и сотрудничать, чтобы сделать Великобританию популярным местом для производства аккумуляторных элементов ».

С увеличением производства и покупок электромобилей, мы уверены, что производство аккумуляторов не заставит себя долго ждать!

Следите за обновлениями во второй части нашей серии о батареях для электромобилей, в которой мы расскажем вам, как работают батареи для электромобилей!

Щелкните здесь, чтобы узнать об электромобилях