Строгие требования к аккумуляторам и их будущее

Общество стремится к освобождению от зависимости от нефти и тяготеет к аккумуляторам как к идеальному зеленому решению для наших энергетических потребностей. Хотя этот крестовый поход благороден и правилен, аккумулятор еще не созрел, чтобы взять на себя эту важную ответственность. Расширение границ возможностей аккумуляторов напоминает ученым о многочисленных ограничениях, которые имеет этот электрохимический источник энергии. Аккумулятор – это слабый сосуд, который медленно наполняется, удерживает ограниченную энергию, работает определенное время, как заводная игрушка, и имеет определенный срок службы всего в несколько сотен циклов разряда-заряда, прежде чем он станет обузой.

Аккумулятор, похожий на человека

Во многом аккумулятор напоминает человеческие качества. Он нуждается в восстановлении после ежедневных трудовых нагрузок с помощью длительного и спокойного заряда, затем некоторое время обеспечивает работу и сам отключается. Некоторым аккумуляторам требуется столько же времени на зарядку, сколько они и обеспечивают работу, и здесь есть сходство со взрослением подростков (автор воспитал пятерых). Как будто аккумулятор имеет собственный разум и решает, когда пришло время для работы, а когда остановиться.

Медленный прогресс по сравнению с микроэлектроникой

В эпоху, когда каждый день перед нашими глазами появляются неожиданные открытия, аккумуляторы, кажется, являются исключением из-за своего опоздания. Улучшения, достигнутые с момента коммерциализации литий-ионных аккумуляторов в 1991 году компанией Sony, бледны по сравнению с огромным прогрессом в микроэлектронике. В то время как закон Мура удваивал количество транзисторов в интегральной схеме каждые два года, прирост емкости литий-ионных аккумуляторов за последние два десятилетия составлял всего около восьми процентов в год. Будут и дальнейшие усовершенствования, но не без потенциально большей хрупкости, меньшей долговечности и более короткого срока службы.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Поиск прорывных технологий

Аккумулятор состоит из двух электродов, которые изолированы сепаратором, пропитанным электролитом, который действует как катализатор, подобно ветчине и сыру в наших бутербродах. Прогресс достигается, однако предложенный в 1970 году литий-воздушный аккумулятор с потенциальной удельной энергией, напоминающей бензин, откладывается из-за проблем со стабильностью и чистотой воздуха, поскольку аккумулятор дышит кислородом из воздуха. Перспективный литий-металл, представленный в 1980-х годах, все еще наращивает дендриты, что приводит к возможным бурным реакциям в случае возникновения короткого замыкания. Литий-сера может быть ближе, но ученые все еще должны решить проблему короткого цикла жизни. Аккумулятор Redox-flow обещает решение для больших аккумуляторных систем, перекачивая жидкости из внешних резервуаров через мембрану, что напоминает аккумулятор. Проблеск надежды появляется в покрытии анода литий-ионного аккумулятора графеном, слоем толщиной всего в один атом. Говорят, что это увеличивает плотность энергии в четыре раза, и Илон Маск из Tesla обращает на это внимание. Следует отметить, что эксперименты с графеном продолжаются уже некоторое время. Графен также является перспективным для других разработок, включая суперконденсатор и солнечные панели. Коммерциализация погружных аккумуляторов займет четыре года, и тяжелых моделей пока нет.

Амбициозные планы и большие деньги

Объединенный центр исследований накопления энергии (JCESR) настроен более оптимистично. Получив грант в размере 120 миллионов долларов, JCESR хочет разработать аккумулятор, который будет:

«Могут ли политики создать лучший аккумулятор, тратя на это кучу денег?» — спрашиваем мы? Разработка аккумуляторов была методичной, и добавление удобрений может стимулировать рост на некоторое время, но их избыточное количество может отравить дерево.

Toyota также участвует в гонке за новый аккумулятор. Он будет называться «аккумулятор Сакичи» в честь Сакичи Тойоды, изобретателя первого в Японии электрического ткацкого станка (фамилия Тойода пишется через букву «d»). Сакичи иногда называют отцом японской промышленной революции. Говорят, что в 1925 году Сакичи Тойода пообещал еще не полученный приз в размере 1 миллиона иен за аккумулятор, который будет производить больше энергии, чем бензин. Чтобы претендовать на такую цену, аккумулятор Sakichi также должен быть очень прочным и быстро заряжаться.

10 ключевых требований к идеальному аккумулятору

В прорывных разработках нет недостатка, но большинство из них умалчиваются. Илон Маск, генеральный директор Tesla Motors, заявил, что не видел прорыва, лучшего того, что Tesla использует в своих электромобилях. Причиной низкого успеха является выполнение по меньшей мере 10 основных требований:

Две философии электромобилей: Tesla vs. BMW

Хотя большинство аккумуляторов для потребительских товаров изготовлены из литий-кобальт-оксида (LCO), промышленность отдает предпочтение более прочному литий-марганцево-оксиду (LMO). В поиске лучшего аккумулятора для электромобиля появились две философии:

Tesla Model S использует литий-никель-кобальт-алюминийоксид (NCA), который обеспечивает сверхвысокую удельную энергию 248 Вт·ч/кг. Чтобы защитить аккумулятор от перегрузки и сохранить его охлаждение на скорости на шоссе, Tesla увеличила размер аккумулятора в 3-4 раза по сравнению с показателем кВт·ч BMW i3 и других электромобилей. По словам экспертов, аккумулятор S-85 емкостью 85 кВт·ч обеспечивает запас хода до 424 км (265 миль) между зарядами, но сам аккумулятор дорогой и тяжелый, а дополнительный вес увеличивает потребление энергии. Tesla S-85 потребляет примерно 240 Вт/ч на км (360 Вт/ч на милю).

BMW i3, для сравнения, использует более консервативный LMO, который производит всего 120 Вт·ч/кг, а пакет емкостью 22 кВт·ч обеспечивает запас хода 130–160 км (80–100 миль). Чтобы компенсировать меньший запас хода, i3 также предлагает REX, опциональный бензиновый двигатель, который можно установить сзади. BMW i3 легче, чем Tesla S-85, и имеет одно из самых низких энергопотреблений в семействе электромобилей. Он потребляет всего 160 Вт/ч на км (260 Вт/ч на милю).

Остается без ответа вопрос долговечности аккумуляторов электромобилей. «Прослужат ли они так же долго, как автомобиль?» – вопрос, ведь замена аккумулятора может стоить столько же, сколько и замена экономичного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Все производители электромобилей должны предоставлять восьмилетнюю гарантию или ограничение пробега. Tesla верит в свой аккумулятор и предлагает неограниченный пробег.

Исторический экскурс: Золотой век электромобилей

Электромобиль не является чем-то новым. Большинство автомобилей в конце 1800-х и начале 1900-х годов работали на аккумуляторах. На рубеже веков покупатель автомобиля имел на выбор три варианта силовой установки. Это были электрическая, паровая и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), из которых ДВС был наименее распространенным. На рисунке 1 изображен Томас Эдисон с его моделью Detroit Electric 1914 года. Большинство электромобилей работали на свинцово-кислотных аккумуляторах, и г-н Эдисон считал, что никель-железные аккумуляторы лучше, и продвигал свои более дорогие аккумуляторы.

Рисунок 1: Томас Эдисон с Detroit Electric 1914 года, модель 47.
Врачи и женщины были основными покупателями электромобилей. Томас Эдисон, Джон Д. Рокфеллер-младший и Клара Форд, жена Генри Форда, управляли Detroit Electric.

Электромобили привлекали высший класс, и эти транспортные средства имели изысканные интерьеры. Хотя цена была выше, чем у транспортных средств с паровым и бензиновым двигателем, состоятельные люди выбирали электромобили за их тихую и комфортную езду, а не за вибрацию, запах и потребность в обслуживании, которые требовали бензиновые автомобили. Лучше всего то, что электромобили не требовали переключения передач и ручного запуска двигателя, задачи, которую высший класс не хотел выполнять. Поскольку единственные хорошие дороги были в городе, ограниченный запас хода электромобиля не был проблемой, и большая часть движения осуществлялась на местные поездки. С изобретением стартера в 1912 году рынок склонился к двигателям внутреннего сгорания, и электромобили потеряли популярность в 1920-х годах.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Итог

Потребители в целом удовлетворены работой аккумуляторов в своих портативных устройствах. Современная технология аккумуляторов также достаточно хорошо обеспечивает резервное питание, но большие свинцово-кислотные системы не очень подходят для систем, требующих постоянного цикла работы.

Существуют ограничения в том, насколько далеко может работать аккумулятор, и электромобиль устанавливает порог. Нет смысла использовать аккумуляторы для питания поездов, кораблей и самолетов. Конкуренция с могущественной нефтью, чистая теплотворная способность которой в 100 раз выше, чем у аккумулятора, является настоящим вызовом. И наоборот, нефть не может сравниться с аккумулятором, который является чистым, тихим, небольшим и мгновенно запускается одним нажатием выключателя.

Аккумуляторы имеют четко определенную роль, и постепенные усовершенствования позволят обеспечить больше того, что так прочно укоренилось в, казалось бы, бесконечном потоке дешевого ископаемого топлива. Хотя нефть практически бесплатна, общество платит цену за ее сжигание. Ущерб для окружающей среды и растущие проблемы со здоровьем стали более очевидными. Но мы не можем быть настолько наивными, чтобы думать, что аккумуляторы решат нашу энергетическую проблему. Запад опьянен дешевой нефтью, и любое отклонение требует изменений в нашей экстравагантности, и мало кто желает этого.