Суворі вимоги до акумуляторів та їх майбутнє

Суспільство прагне звільнення від залежності від нафти та тяжіє до акумуляторів як ідеального зеленого рішення для наших енергетичних потреб. Хоча цей хрестовий похід благородний і правильний, акумулятор ще не дозрів, щоб взяти на себе цю важливу відповідальність. Розширення меж акумуляторів нагадує вченим про численні обмеження, які має це електрохімічне джерело енергії. Акумулятор – це слабка посудина, яка повільно наповнюється, утримує обмежену енергію, працює певний час, як заводна іграшка, і має визначений термін служби лише кілька сотень циклів розряду-заряду, перш ніж він стане надокучливим.

Акумулятор, схожий на людину

Багато в чому акумулятор нагадує людські якості. Він потребує відновлення після щоденних трудових навантажень за допомогою тривалого та спокійного заряду, потім деякий час забезпечує роботу і сам вимикається. Деяким акумуляторам потрібно стільки ж часу зарядки, скільки вони й забезпечують, і є подібність до дорослішання підлітків (автор виховав п'ятьох). Це ніби акумулятор має власний розум і вирішує, коли настав час для роботи, а коли зупинитися.

Повільний прогрес у порівнянні з мікроелектронікою

В епоху, коли щодня перед нашими очима з'являються несподівані відкриття, акумулятори, здається, роблять виняток через запізнення. Покращення, досягнуті з моменту комерціалізації літій-іонних акумуляторів у 1991 році компанією Sony, бліді порівняно з величезним прогресом у мікроелектроніці. У той час як закон Мура подвоював кількість транзисторів в інтегральній схемі кожні два роки, приріст ємності літій-іонних акумуляторів протягом останніх двох десятиліть становив лише близько восьми відсотків на рік. Будуть подальші вдосконалення, але не без потенційно вищої крихкості, меншої довговічності та коротшого терміну служби.

Пошук проривних технологій

Акумулятор складається з двох електродів, які ізольовані сепаратором, просоченим електролітом, який діє як каталізатор, подібно до шинки та сиру в наших бутербродах. Прогрес досягається, проте запропонований у 1970 році літій-повітряний акумулятор з потенційною питомою енергією, що нагадує бензин, відкладається через проблеми зі стабільністю та чистотою повітря, оскільки акумулятор дихає киснем з повітря. Перспективний літій-метал, представлений у 1980-х роках, все ще нарощує дендрити, що призводить до можливих бурхливих реакцій у разі виникнення короткого замикання. Літій-сірка може бути ближче, але вчені все ще повинні вирішити проблему короткого циклу життя. Акумулятор Redox-flow обіцяє рішення для великих акумуляторних систем, перекачуючи рідини із зовнішніх резервуарів через мембрану, що нагадує акумулятор. Проблиск надії з'являється у покритті анода літій-іонного акумулятора графеном, шаром товщиною лише один атом. Кажуть, що це збільшує щільність енергії в чотири рази, і Ілон Маск з Tesla звертає на це увагу. Слід зазначити, що експерименти з графеном тривають вже деякий час. Графен також є перспективним для інших розробок, включаючи суперконденсатор і сонячні панелі. Комерціалізація занурювальних акумуляторів займе чотири роки, і важких моделей поки що немає.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Амбітні плани та великі гроші

Об'єднаний центр досліджень накопичення енергії (JCESR) налаштований більш оптимістично. Отримавши грант у розмірі 120 мільйонів доларів, JCESR хоче розробити акумулятор, який буде:

«Чи можуть політики створити кращий акумулятор, витрачаючи на це купу грошей?» — запитуємо ми? Розробка акумуляторів була методичною, і додавання добрив може стимулювати зростання на деякий час, але надмірна їх кількість може отруїти дерево.

Toyota також бере участь у гонці за новий акумулятор. Він називатиметься «акумулятор Сакічі» на честь Сакічі Тойоди, винахідника першого в Японії електричного ткацького верстата (прізвище Тойода пишеться через літеру «d»). Сакічі іноді називають батьком японської промислової революції. Кажуть, що в 1925 році Сакічі Тойода пообіцяв ще неотриманий приз у розмірі 1 мільйона єн за акумулятор, який вироблятиме більше енергії, ніж бензин. Щоб претендувати на таку ціну, акумулятор Sakichi також повинен бути дуже міцним і швидко заряджатися.

10 ключових вимог до ідеального акумулятора

Проривних розробок не бракує, але більшість замовчуються. Ілон Маск, генеральний директор Tesla Motors, заявив, що не бачив прориву, кращого за той, що Tesla використовує у своїх електромобілях. Причиною низького успіху є виконання щонайменше 10 основних вимог:

Дві філософії електромобілів: Tesla vs. BMW

Хоча більшість акумуляторів для споживчих товарів виготовлені з літій-кобальт-оксиду (LCO), промисловість віддає перевагу міцнішому літій-марганцево-оксиду (LMO). У пошуку кращого акумулятора для електромобіля з'явилися дві філософії:

Tesla Model S використовує літій-нікель-кобальт-алюмінійоксид (NCA), який забезпечує надвисоку питому енергію 248 Вт·год/кг. Щоб захистити акумулятор від перевантаження та зберегти його охолодження на швидкості на шосе, Tesla збільшила розмір акумулятора в 3-4 рази порівняно з показником кВт·год BMW i3 та інших електромобілів. За словами експертів, акумулятор S-85 ємністю 85 кВт·год забезпечує запас ходу до 424 км (265 миль) між зарядами, але сам акумулятор дорогий і важкий, а додаткова вага збільшує споживання енергії. Tesla S-85 споживає приблизно 240 Вт/год на км (360 Вт/год на милю).

BMW i3, для порівняння, використовує більш консервативний LMO, який виробляє лише 120 Вт·год/кг, а пакет ємністю 22 кВт·год забезпечує запас ходу 130–160 км (80–100 миль). Щоб компенсувати менший запас ходу, i3 також пропонує REX, опціональний бензиновий двигун, який можна встановити ззаду. BMW i3 легший за Tesla S-85 і має одне з найнижчих енергоспоживань у сімействі електромобілів. Він споживає лише 160 Вт/год на км (260 Вт/год на милю).

Залишається без відповіді питання довговічності акумуляторів електромобілів. «Чи прослужать вони так довго, як автомобіль?» – питання, адже заміна акумулятора може коштувати стільки ж, скільки й заміна економічного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння. Усі виробники електромобілів повинні надавати восьмирічну гарантію або обмеження пробігу. Tesla вірить у свій акумулятор і пропонує необмежений пробіг.

Історичний екскурс: Золотий вік електромобілів

Електромобіль не є новим. Більшість автомобілів наприкінці 1800-х і на початку 1900-х років працювали на акумуляторах. На рубежі століть покупець автомобіля мав три варіанти силової установки на вибір. Це були електрична, парова та двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), з яких ДВЗ був найменш поширеним. На рисунку 1 зображено Томаса Едісона з його моделлю Detroit Electric 1914 року. Більшість електромобілів працювали на свинцево-кислотних акумуляторах, і пан Едісон вважав, що нікель-залізні акумулятори кращі, і просував свої дорожчі акумулятори.

Рисунок 1: Томас Едісон з Detroit Electric 1914 року, модель 47.
Лікарі та жінки були основними покупцями електромобілів. Томас Едісон, Джон Д. Рокфеллер-молодший та Клара Форд, дружина Генрі Форда, керували Detroit Electric.

Електромобілі приваблювали вищий клас, і ці транспортні засоби мали вишукані інтер'єри. Хоча ціна була вищою, ніж у транспортних засобів з паровим та бензиновим двигуном, заможні люди обирали електромобілі за їх тиху та комфортну їзду, а не за вібрацію, запах та потребу в обслуговуванні, які потребували бензинових автомобілів. Найкраще те, що електромобілі не потребували перемикання передач та ручного запуску двигуна, завдання, яке вищий клас не хотів виконувати. Оскільки єдині хороші дороги були в місті, обмежений запас ходу електромобіля не був проблемою, і більша частина руху здійснювалася на місцеві поїздки. З винаходом стартера в 1912 році ринок тяжів до двигунів внутрішнього згоряння, і електромобілі втратили популярність у 1920-х роках.

Акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Підсумок

Споживачі загалом задоволені роботою акумуляторів у своїх портативних пристроях. Сучасна технологія акумуляторів також досить добре забезпечує резервне живлення, але великі свинцево-кислотні системи не дуже підходять для систем, що потребують постійного циклу роботи.

Існують обмеження щодо того, наскільки далеко може працювати акумулятор, і електромобіль встановлює поріг. Немає сенсу використовувати акумулятори для живлення поїздів, кораблів та літаків. Конкуренція з могутньою нафтою, чиста теплотворна здатність якої в 100 разів вища, ніж у акумулятора, є справжнім викликом. І навпаки, нафта не може зрівнятися з акумулятором, який є чистим, тихим, невеликим і миттєво запускається одним натисканням вимикача.

Акумулятори мають чітко визначену роль, і поступові вдосконалення дозволять забезпечити більше того, що так міцно вкорінено в, здавалося б, нескінченному потоці дешевого викопного палива. Хоча нафта практично безкоштовна, суспільство платить ціну за її спалювання. Шкода для навколишнього середовища та зростаючі проблеми зі здоров'ям стали більш очевидними. Але ми не можемо бути настільки наївними, щоб думати, що акумулятори вирішать нашу енергетичну проблему. Захід п'яний дешевою нафтою, і будь-яке відхилення вимагає змін у нашій екстравагантності, і мало хто бажає цього.