Меню

Изготовление аккумуляторов для электромобилей

Изготовление аккумуляторов для электромобилей

Аккумуляторы электромобилей

«Хорватский Маск» Мате Римак считает АКБ главной проблемой экологически чистого транспорта. Ему можно доверять, ведь фирма Rimac Automobili выпускает самый быстрый гиперкар планеты Concept Two. Сегодня конструкторы всех стран активно ищут оптимальный аккумулятор на электромобиль. То есть безопасный, дешевый, долговечный, с быстрой зарядкой и высокой плотностью энергии.

Максимальный крутящий момент современные электродвигатели обеспечивают с первой же секунды, достаточно компактны, отлично управляются. Но источники питания экологически чистого транспорта пока еще несовершенны и слишком дороги для массового покупателя. Окончательная победа электрокаров над автомобилями с ДВС настанет только тогда, когда их стоимость уравняется.

Аккумуляторы электромобилей

Что представляют из себя аккумуляторы для электромобилей

АКБ — самая большая, тяжелая и дорогая деталь машины. В большинстве случаев она располагается в днище, занимает практически всю его площадь, весит до полутонны. Батареи для электромобилей состоят из нескольких тысяч ячеек разного вида. У компании Tesla, например, они цилиндрические, напоминающие батарейки типа АА.

В Nissan Leaf ячейки собраны в пакеты, заключенные в отдельные коробчатые корпуса. Аккумулятор для электромобиля вырабатывает большую мощность, сильно греется и поэтому требует собственной системы охлаждения, лучше всего жидкостного.

Литий-ионные АКБ

Большинство современных е-карс оснащено источниками энергии данного типа. За их совершенствование, кстати, была присуждена Нобелевская премия по химии 2019 года. Чистый литий в конструкции отсутствует, он слишком активен и, как следствие, пожаро- и взрывоопасен.

В современных источниках энергии используется его соединение с кобальтом. При зарядке ионы лития перемещаются по электролиту в угольный анод из катода, под нагрузкой происходит обратный процесс. Однако катод не восстанавливается полностью, в нем накапливаются окислы, и емкость батареи падает. Ее уменьшение на 30 % считается полной потерей работоспособности. В зависимости от интенсивности эксплуатации на это требуется 2–5 лет, или 500–1000 циклов заряда-разряда.

Достоинства литий-ионных АКБ:

Литий-ионные аккумуляторы электромобилей

  • Плотность накопленной энергии — до 400 Втч/кг.
  • Достигаемое напряжение выше, чем у других типов АКБ.
  • Саморазряд не более 6 % в месяц и 20 % в год.
  • Нет «эффекта памяти», вследствие чего отпадает необходимость «тренировки» аккумулятора несколькими циклами перезарядок.
  • До 1000 циклов перезаряда.
  • Срок эксплуатации — до 10 лет.

Недостатки литий-ионных АКБ:

  • Узкий температурный диапазон от –20 до +50 °C. На морозе резко падает емкость, при жаре работа АКБ нестабильна.
  • Опасность пожара и взрыва при авариях, ударах, разгерметизации ячеек.

Литий-полимерные АКБ

Проблемы с безопасностью ликвидируются заменой жидкого электролита на негорючий и невзрывоопасный полиэтиленоксид. До недавнего времени главным недостатком этой технологии было малое число циклов перезаряда. Но добавление в полимер нановолокон оксида алюминия повышает этот показатель до 300, что уже сравнимо с литий-ионными. Аккумуляторы такого типа стоят в электрокарах Hyundai Ionic Electric и Kia Soul EV.

Литий-железо-фосфатные АКБ

Они отличаются от классических материалом катода. Вместо кадмиевой соли лития используется его соединение с железом и фосфором. Их преимущества таковы:

  • длительный срок службы;
  • стабильность напряжения вплоть до полного разряда;
  • высокий ток разряда;
  • экологическая безопасность вследствие отсутствия ядовитого кадмия;
  • температурная устойчивость.

Подобные источники широко используются в электропогрузчиках, тягачах, электробусах, например, китайском BYD K9.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные АКБ

Материалом катода служит сплав упомянутых в названии металлов. Эти батареи имеют следующие особенности:

  • высокое напряжение элемента — 4,3 В;
  • более 1000 циклов перезаряда;
  • плотность энергии — 200 Втч/кг.

Данные накопители энергии сравнительно дешевы, поэтому часто используются в тяжелой технике. На них же построена силовая установка гиперкаров Concept One, S и Two компании Rimac Automobili.

Перспективные разработки современных аккумуляторов для электромобилей

Изготовители литий-ионных источников энергии непрерывно их совершенствуют и сегодня добились высокого уровня эксплуатации. Компания Tesla, например, анонсировала свои новые элементы питания, которые в 5 раз более емки, чем нынешние, и в 6 раз мощнее. К 2030 году планируется переход на них всей продукции фирмы.

Алюминий-ионные АКБ

Анод этого источника питания алюминиевый, катод из графитовой пены, электролитом служит невоспламеняющийся раствор солей. Главное преимущество технологии — полная безопасность. Разработчики доказывают это, пробивая корпус гвоздями: жидкость просто вытекает без огня и взрыва. Кроме того, зарядка занимает несколько минут и количество перезарядок достигает 7,5 тысяч. Корпус гибкий и полимерный, конструкция весьма многообещающая.

Литий-серные АКБ

Широкому внедрению данной технологии мешало низкое число циклов перезаряда. Но уже предложены конструкции катодов с высоким содержанием серы, допускающие до 1 тыс. циклов и запас хода до 2 тыс. км.

Литий-серные АКБ

Металл-воздушные АКБ

Электричество порождается взаимодействием алюминия и кислорода в присутствии серебряного катализатора. Электролит — обыкновенная вода. Зарядка осуществляется на специальном оборудовании с заменой пластин. Потенциально такой источник способен обеспечить запас хода 1 тыс. км.

Компания Citroen испытывает гибридную силовую установку на модели C1, состоящую их литий-ионного и алюминиево-воздушного источников энергии. Южнокорейский вариант конструкции совсем не заряжается, отработанная пластина просто заменяется на новую, обеспечивающую 700 км пробега. Снятая деталь идет в переплавку, не загрязняя окружающую среду.

Перечисленные конструкции не исчерпывают перспективные направления развития источников питания. Впереди доводка до коммерческих образцов кремний-графитовых, графеновых и твердотельных аккумуляторов для электромобиля.

Как продлить срок службы АКБ

Простые правила эксплуатации продлят жизнь самой дорогого элемента конструкции электрокара:

  • Зарядку нужно делать перед поездкой и не оставлять машину долго без дела. Долгий простой приносит больше вреда, чем интенсивная эксплуатация.
  • Не доводите заряд до уровня 100 % и не разряжайте ниже 20 %. Это оптимальные щадящие границы ее эксплуатации.
  • Скоростные зарядные устройства уменьшают срок службы. Как можно чаще пользуйтесь домашней сетью через бортовое устройство. Желательно делать это в теплом гараже, особенно зимой.

Как продлить срок службы АКБ

Эти советы касаются прежде всего литий-ионных источников, другие технологии имеют свои особенности эксплуатации.

Проблема замены

Рано или поздно потребуется замена АКБ, но пока что комплексно решила эту задачу только китайская компания Nio. Перезарядка осуществляется так: машину ставят в специальный бокс, извлекают автоматическим манипулятором старую АКБ и вставляют новую, уже заряженную. Жаль, но проделать этот номер возможно только с электрокарами, произведенными упомянутой компанией; за пределами Поднебесной такой сервис недоступен. Аналогичную идею замены батареи пыталась внедрить Тесла, однако переключилась на развитие сети зарядок Supercharger.

Производители источников электропитания

На этом рынке доминируют азиатские компании. Объяснение простое — в Китае находятся крупнейшие в мире залежи солей лития и редкоземельных металлов, в частности кадмия. Их добыча и переработка — очень грязное производство, но в Поднебесной долго не существовало экологического законодательства, а рабочая сила стоила дешево.

Например, CATL, то есть Contemporary Amperex Technology, снабжает не только китайские компании, но и BMW, Volkswagen, Daimler, Volvo, Toyota, Honda. Импортные электромобили получали субсидии при ввозе в страну, только если были оснащены китайскими АКБ. Второе место по объему производства занимает BYD, принадлежащая Уоррену Баффету. Большая часть ее продукции используется в ее собственных электрокарах и электробусах.

АКБ для Tesla Motors, Toyota, Honda и Ford Motor поставляет японская компания Panasonic. Ее заводы разбросаны по всему миру, в том числе и Китаю. Южная Корея представлена компанией LG. Ее продукцией комплектуются е-керс компаний Ford, Renault, Hyundai, Volkswagen, Volvo и Tesla.

аккумуляторы электромобилей производители

Конкуренцию ей составляет инновационная Samsung SDI, дочерняя фирма суперкорпорации Samsung Electronics. Открылся собственный завод компании Tesla, разумеется, самый большой в мире. Гегемония азиатских производителей наконец-то поколеблется.

Замена АКБ электромобиля

Пока что большинство е-карс оснащены литиево-ионными батареями, выдерживающими до 1 тыс. перезарядок. Если пополнять энергию каждый день, то через неполные три года емкость аккумулятора и запас хода заметно упадут, еще через три он просто перестанет воспринимать заряд. Эта проблема неизбежно встанет перед каждым владельцем электрокара. Как ее решить?

Заменить АКБ на электромобиле непросто. Мало того, что она весит несколько центнеров и надежно закреплена под днищем, но подключение не ограничивается сменой разъема. Нужно еще и настроить программное обеспечение, пройти согласование и регистрацию в системе управления, возможно, понадобятся новые драйверы, ведь технологии меняются достаточно быстро. Поэтому осуществить полную замену своими силами для рядового водителя — задача неподъемная.

Если же владелец все же решится сделать это самостоятельно, его ждут другие трудности. Цена нового источника питания может составлять до половины стоимости машины. Но в конструкции большинства из них предусмотрена возможность частичной замены блоков, что существенно упрощает и удешевляет операцию. В Интернет-магазинах и на форумах часто предлагают купить восстановленные или бывшие в употреблении модули.

Замена аккумулятора электромобиля Nissan Leaf

Новая батарея Nissan Leaf до начала эпидемии коронавируса стоила около 6500 долларов США, б/у — около 3000. Цена замены батареи Nissan Leaf — еще 400–500 долларов. Но в Россию и Украину этот электрокар официально пока не поставляется, хотя и сертифицирован. Значит, придется ждать поставки из-за рубежа как минимум две недели. А в нынешних условиях карантина сроки непредсказуемы, да и цена тоже. Но есть способ отремонтировать АКБ быстрее и дешевле.

аккумулятор электромобиля Nissan Leaf

Замену батареи Nissan Leaf не обязательно производить целиком. Она модульная и состоит из 48 ячеек, соединенных в 4 блока с манганат-литиевыми положительными электродами и графитовыми отрицательными. Состояние каждого элемента можно проконтролировать через приложение Leaf SPY для смартфона или планшета на Android или iOS.

Читайте также:  Диодный изолятор для аккумулятора своими руками

Подключение к системе управления электрокара происходит через Wi-Fi или Bluetooth при помощи специального OBD-адаптера. На экране наглядно показывается состояние каждой ячейки. Менять нужно только потерявшие емкость, а это гораздо дешевле, ведь одна стоит около 150 долларов. Но для замены ячеек батареи Ниссан Лиф для все равно придется обращаться в СТО, ведь демонтировать придется всю АКБ.

На сайте E-razborka можно купить батарею на Ниссан Лиф мощностью 24 кВт за 3110 долларов, одну ячейку — за 90. Китайская батарея на Ниссан Лиф 40 кВт для модели 2018 года стоит 9000 долларов, предложений по ячейкам сегодня нет. К этой сумме нужно добавить стоимость доставки из Украины и цену работы.

На российском сайте Baza.drom б/у АКБ Nissan Leaf в сборе стоит 2020 долларов, одна ячейка — 94. Но их предлагают только полным комплектом из 48 штук за 4500.

Замена АКБ на электромобиле Tesla

В недавнем интервью Илон Маск заявил, что Tesla Model 3, младшая модель компании, обладает надежностью тяжелого грузовика. То есть рассчитана на пробег около 1,5 млн км без критических поломок. Ресурс батареи Тесла составляет 1500 циклов перезаряда и в среднем обеспечивает запас хода 600 тыс. км. Мало того, компания снизила стоимость замены модулей батареи Тесла, потерявших емкость, до 5–7 тыс. долларов. Неисправные ячейки меняются на рабочие, и обновленный источник электроэнергии используется для других целей, например, как накопитель энергии для солнечных батарей.

Сегодня в новых батареях Тесла используются элементы Tesla 2170 где накапливается на 30 % больше энергии, чем ранее. Конструктивно накопитель емкостью 85 кВтч, например, состоит 7104 пальчиковых ячеек, собранных в 16 модулей, мощность каждого — 5,3 кВтч. В каждом модуле 444 элемента, схема их соединения запатентована. Они расположены под днищем, и для демонтажа необходим специальный подъемник, поддерживающий корпус под колеса. Обычный погрузчик может повредить корпус лапами.

Для питания систем управления служит дополнительный 12-вольтовый источник. Его можно поменять без специальной техники, хотя добраться к месту установки нелегко. Только квалифицированный ремонтник знает, где он находится у каждой конкретной модели. Понятно, что не стоит экспериментировать даже опытному владельцу электромобиля, нужно довериться специалистам.

Цена одного нового модуля тесловского накопителя энергии колеблется в достаточно широких пределах. Например, украинская компания ELMOB предлагает их по 1200 долларов США и с доставкой за 3 месяца. Особенности разных трудностей, возникающих в работе, прекрасно показаны в видеоролике киевской компании Teslaservice. Посмотрите и поймете, почему ремонтники избегают заранее рассказывать о цене замены батареи Тесла.

Подводим итоги

Источники энергии е-карс — сложные и дорогие агрегаты. И хотя литий ионные аккумуляторы для электромобиля купить сегодня не проблема (форумы и сайты объявлений полны предложений типа «продам батарею Ниссан Лиф»), но предугадать степень их износа невозможно.

А вот замена батареи Тесла своими руками в обычном гараже вряд ли возможна. После включения система управления может просто не признать новый аккумулятор. Придется перешивать программное обеспечение в специализированном СТО за отдельные деньги.

Мало того, появляется проблема утилизации. Что делать с несколькими тысячами литий-ионных элементов, отравляющими окружающую среду? В Москве и некоторых других городах крупных городах бывшего СССР уже открыты пункты их сдачи, но в других городах они пока редки.

Вывод прост и очевиден. Руководствуйтесь простыми правилами, продлевающими срок службы АКБ. Не пытайтесь ее заменять или восстанавливать своими силами, не обращайтесь к «народным умельцам», делайте это только в сервисных центрах. Понесенные затраты окупаются стоимостью эксплуатации. Последние новости на эту тему читайте на сайте или нашем канале в «Телеграм».

Источник



Израильский стартап начал производить аккумуляторы, которые заряжаются за пять минут. Когда уже можно будет их опробовать?

Что общего у боли и товара на полке? · 19:00, 24 января 2021 Источник: Meduza

На этой неделе израильский стартап StoreDot, который больше пяти лет разрабатывает аккумуляторы с ультрабыстрой зарядкой, сообщил о выходе на широкий рынок. Его батареи планирует выпускать крупный китайский производитель EVE Energy. Новые аккумуляторы компания собирается устанавливать пока только в смартфоны и небольшие электрические транспортные средства — например, скутеры. Но свою главную цель StoreDot не скрывает: по словам разработчиков, именно медленные современные аккумуляторы сдерживают повсеместное внедрение электромобилей — и компания намерена это изменить. «Медуза» рассказывает, в чем, собственно, заключается сложность с быстрой зарядкой литий-ионных батарей, и что может помешать StoreDot внедрить свои ультрабыстрые аккумуляторы на практике.

12 лет назад Deutsche Bank предсказывал , что к 2020 году более 10% продаваемых ежегодно автомобилей будут электрическими. В реальности по состоянию на 2020 год этот показатель, по данным Bloomberg, находился на уровне всего 2,7%. Сдерживают рост рынка электромобилей несколько причин, одна из которых — низкая емкость используемых аккумуляторов и большое количество времени, необходимое для их зарядки.

Сегодня для полной зарядки аккумулятора электромобиля требуется несколько часов. Даже в режиме быстрой зарядки на полное восстановление заряда аккумулятора, например, Tesla Model 3 потребуется около часа. Это принципиально отличает электромобили от традиционных бензиновых машин и, безусловно, ограничивает их сферу использования.

Проблему эту осознают очень многие, ей посвящены сотни исследовательских статей и множество усилий инженеров. Среди них — израильский стартап StoreDot, который занимается разработкой собственного аккумулятора как минимум с 2015 года. Его инженерам уже удалось создать несколько прототипов, для полной зарядки которых достаточно всего пяти минут.

Почему обычные аккумуляторы не заряжаются быстро?

Скорость восполнения заряда аккумулятора определяется величинами напряжения и силы тока, которые на него подаются. В теории чем больше вольт и ампер вы подадите, тем быстрее источник тока восстановит свою емкость. Однако на практике при подаче тока со слишком высоким напряжением или силой аккумулятор может сильно потерять в емкости, вздуться или даже взорваться.

«Когда аккумулятор заряжается, литий с положительного электрода переходит на отрицательный. В традиционном аккумуляторе этот электрод состоит из графита. Когда мы разряжаем устройство, литий внедряется в структуру графита, — говорит „Медузе“ заместитель заведующего Лабораторией физико-химических процессов в постлитийионных источниках тока МФТИ Дмитрий Семененко. — Если делать это быстро, то литий не успевает внедряться в графит и образуется в виде металлической фазы на отрицательном электроде. Литий в виде металла образует не гладкие слои, а разветвленные структуры — дендриты».

Дендриты представляют собой вытянутые, сходные с ветвящимися деревьями (отсюда и название) кристаллы из атомов лития, которые при высоких токах довольно быстро прорастают до катода. В результате через них два электрода соединяются друг с другом и вызывают короткое замыкание, которое может привести к возгоранию.

При нормальном разряде аккумулятора происходит обратный процесс: соединение лития и графита распадается, в результате чего в цепь попадает электрон, а атом лития снова становится положительным ионом. Если попытаться ускорить процесс, может возникнуть другая проблема: слишком большой входящий или исходящий поток ионов лития будет разрушать графит, сильно снижая емкость элемента.

Чем аккумулятор StoreDot отличается от других?

Еще в 2019 году в своем рекламном видео StoreDot продемонстрировал , как всего за пять минут разработанная им батарея для электроскутера зарядилась с 15% до 100% емкости. О самой емкости аккумулятора ничего не известно, но разработчики уверяют, что полностью заряженный скутер может проехать около 300 километров.

По словам разработчиков, они «полностью переделали все составляющие батареи». Ключевое нововведение StoreDot — использование нанопорошка кремния вместо графита. На кремнии при быстрой зарядке не растут дендриты, что делает его безопаснее.

«У кремния много других проблем, но скорость зарядки он немного увеличивает, поднимая напряжение, при котором происходит образование металлического лития. StoreDot предложила использовать кремний в виде наночастиц. Это позволило увеличить площадь поверхности и уменьшить плотность тока, тем самым сделав процесс менее напряженным», — объясняет Дмитрий Семененко.

Благодаря использованию нанопорошка ученым удалось уменьшить толщину слоя кремния в электрохимической ячейке в 30 раз — с 300 до 10 микрометров. Чтобы собрать аккумулятор, разработчики складывали множество ячеек вместе, формируя таким образом батарею с высокой емкостью. Снижение толщины ячеек критически важно: чем тоньше эти составляющие аккумулятора, тем компактнее батарея при той же емкости или более емкая при той же толщине.

71,4 тыс. подписчиков

Смотреть позже Посмотреть на Ролик с наиболее подробным описанием работы аккумулятора, создаваемого StoreDot BP

Однако не все кремниевые материалы одинаково хороши. Несмотря на то, что анод из кремния решает проблему роста дендритов, при быстрой зарядке он так же сильно набухает из-за избытка внедренных ионов, как и электрод из графита. Вбирая в себя ионы лития, кремниевый электрод сильно увеличивается в объеме, что буквально разрушает его изнутри. Использование кремниевых наноматериалов вместо кристаллического соединения позволяет частично решить эту проблему, но ограничения на параметры тока зарядки в таком случае все еще остаются.

Читайте также:  Аппарат для зарядкой аккумулятора

Когда наши электромобили смогут заряжаться за пять минут?

На данный момент StoreDot нацелен на рынок небольших электрических транспортных средств, беспилотников и смартфонов. Производить аккумуляторы израильский стартап намерен на заводе EVE Energy — одного из лидеров на рынке литий-ионных аккумуляторов, который уже 20 лет создает эффективные батареи высокой емкости.

В будущем компания планирует построить собственную фабрику под названием OneGiga . Она будет заточена на производство аккумуляторов с функцией сверхбыстрой зарядки.

Ключевые инвесторы StoreDot — BP (British Petroleum), Daimler , Samsung Ventures и TDK . Размеры инвестиций не раскрываются. Стартап пока не подписал никаких контрактов на поставку батарей, но уверяет, что «вместе со своими стратегическими партнерами находится в авангарде движения за массовое внедрение электромобилей».

Несмотря на хорошие новости от одного из множества стартапов, зарядить за пять минут электромобили в ближайшем будущем мы вряд ли сможем. И дело тут не только в ограничениях самих батарей. «Чтобы восполнить заряд батареи Tesla емкостью около 100 киловатт-часов за пять минут, потребуются токи мощностью в единицы мегаватт. Это очень большие величины — токи такой мощности потребляют заводы. Даже если сама электрохимия [нового аккумулятора] сможет позволить сверхбыструю зарядку, то потребуется серьезная инфраструктура, которой у нас пока нет», — рассказывает Дмитрий Семененко.

На данный момент Store Dot вывела на коммерческий рынок только первое поколение своих батарей. Израильские ученые планируют вскоре представить новый тип аккумуляторов с более высокими характеристиками. И хотя зарядить аккумулятор скутера с помощью новой технологии можно всего за пять минут, для восполнения емкости батареи электромобиля может потребоваться от 30 минут и больше.

Источник

Представлены аккумуляторы для электромобилей будущего: быстрая зарядка, минимальная деградация и высокая ёмкость

В конце ноября американская компания QuantumScape, которую до этого десять лет деньгами поддерживали только фонд Билла Гейтса и Volkswagen, стала публичной и вышла из тени. Сразу было заявлено, что разрабатываемые компанией твердотельные литийметаллические аккумуляторы станут батареями для электромобилей второго поколения, которые по дальности хода сравнятся с автомобилями на ДВС. Сегодня она с цифрами в руках доказывает свою правоту.

Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

До разработки QuantumScape, которая десять лет назад вышла из стен Стэндфордского университета, твердотельные литийметаллические аккумуляторы считались перспективными, но страдающими массой отрицательных побочных явлений. В частности, они были безопаснее и более ёмкими, чем литийионные, но обладали узким рабочим температурным диапазоном. Аккумуляторы QuantumScape, как утверждают разработчики, свободны от детских болезней твердотельных литийметаллических аккумуляторов и могут стать коммерчески осуществимыми уже через четыре года.

Главной особенностью твердотельных литийметаллических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы не имеют анода. Точнее, при производстве аккумуляторов QuantumScape анод не изготавливается. Этот электрод формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки. Заявленная скорость осаждения лития в процессе формирования анода превосходит все предыдущие показатели и достигает одного микрона в минуту, что обещает высокую плотность зарядного тока и быструю зарядку: до 80 % ёмкости за 15 минут.

В компании гордятся, что анод аккумулятора спроектирован с «нулевым превышением лития». Иначе говоря, в процессе производства ячейки нет необходимости даже в минимальном количестве лития в виде фольги или осаждения в месте формирования анода. Это заметно удешевляет и упрощает производство ячеек.

Ещё одним важным изобретением QuantumScape стало создание керамического сепаратора, который разделяет электроды. Сепаратор QuantumScape тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литийионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. Следует отметить, что аккумуляторные ячейки QuantumScape будут изготавливаться в виде «мешочков», а не в цилиндрическом формфакторе. Возможно это одна из особенностей использования керамических сепараторов.

Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторы QuantumScape также могут похвастаться толстыми катодами с возможностью пропускать токи высокой плотности свыше 3 мА·ч/см2 в течение часа заряда и разряда с токами 1C. После прохождения 800 циклов заряда и разряда ячейки QuantumScape сохранили свыше 80 % ёмкости, что потенциально обещает возможность проехать на одном аккумуляторе сотни тысяч км. Что также важно, аккумуляторы сохраняют рабочие характеристики до температур -30 °C, чего невозможно было добиться с помощью альтернативных разработок. Также, за счёт того, что из анода убран графит или графит-кремний, вещество электролита не деградирует в ходе побочных реакций в процессах зарядки и разрядки ячейки. Как нетрудно понять, это сохраняет рабочие параметры ячейки максимально долго.

Наконец, QuantumScape обещает довести ёмкость коммерческих твердотельных литийметаллических аккумуляторов до проверенного в лабораториях максимума: 1000 Вт·ч/л. Тем самым ёмкость аккумуляторов может вырасти на 80 % по сравнению с лучшими современными литийионными ячейками и довести запас хода электромобилей до величин, сопоставимых с возможностями автомобилей на двигателях внутреннего сгорания.

Источник

Аккумуляторы электромобилей: особенности применения

Аккумуляторы электромобилей

«Хорватский Маск» Мате Римак считает АКБ главной проблемой экологически чистого транспорта. Ему можно доверять, ведь фирма Rimac Automobili выпускает самый быстрый гиперкар планеты Concept Two. Сегодня конструкторы всех стран активно ищут оптимальный аккумулятор на электромобиль. То есть безопасный, дешевый, долговечный, с быстрой зарядкой и высокой плотностью энергии.

Максимальный крутящий момент современные электродвигатели обеспечивают с первой же секунды, достаточно компактны, отлично управляются. Но источники питания экологически чистого транспорта пока еще несовершенны и слишком дороги для массового покупателя. Окончательная победа электрокаров над автомобилями с ДВС настанет только тогда, когда их стоимость уравняется.

Аккумуляторы электромобилей

Что представляют из себя аккумуляторы для электромобилей

АКБ — самая большая, тяжелая и дорогая деталь машины. В большинстве случаев она располагается в днище, занимает практически всю его площадь, весит до полутонны. Батареи для электромобилей состоят из нескольких тысяч ячеек разного вида. У компании Tesla, например, они цилиндрические, напоминающие батарейки типа АА.

В Nissan Leaf ячейки собраны в пакеты, заключенные в отдельные коробчатые корпуса. Аккумулятор для электромобиля вырабатывает большую мощность, сильно греется и поэтому требует собственной системы охлаждения, лучше всего жидкостного.

Литий-ионные АКБ

Большинство современных е-карс оснащено источниками энергии данного типа. За их совершенствование, кстати, была присуждена Нобелевская премия по химии 2019 года. Чистый литий в конструкции отсутствует, он слишком активен и, как следствие, пожаро- и взрывоопасен.

В современных источниках энергии используется его соединение с кобальтом. При зарядке ионы лития перемещаются по электролиту в угольный анод из катода, под нагрузкой происходит обратный процесс. Однако катод не восстанавливается полностью, в нем накапливаются окислы, и емкость батареи падает. Ее уменьшение на 30 % считается полной потерей работоспособности. В зависимости от интенсивности эксплуатации на это требуется 2–5 лет, или 500–1000 циклов заряда-разряда.

Достоинства литий-ионных АКБ:

Литий-ионные аккумуляторы электромобилей

  • Плотность накопленной энергии — до 400 Втч/кг.
  • Достигаемое напряжение выше, чем у других типов АКБ.
  • Саморазряд не более 6 % в месяц и 20 % в год.
  • Нет «эффекта памяти», вследствие чего отпадает необходимость «тренировки» аккумулятора несколькими циклами перезарядок.
  • До 1000 циклов перезаряда.
  • Срок эксплуатации — до 10 лет.

Недостатки литий-ионных АКБ:

  • Узкий температурный диапазон от –20 до +50 °C. На морозе резко падает емкость, при жаре работа АКБ нестабильна.
  • Опасность пожара и взрыва при авариях, ударах, разгерметизации ячеек.

Литий-полимерные АКБ

Проблемы с безопасностью ликвидируются заменой жидкого электролита на негорючий и невзрывоопасный полиэтиленоксид. До недавнего времени главным недостатком этой технологии было малое число циклов перезаряда. Но добавление в полимер нановолокон оксида алюминия повышает этот показатель до 300, что уже сравнимо с литий-ионными. Аккумуляторы такого типа стоят в электрокарах Hyundai Ionic Electric и Kia Soul EV.

Литий-железо-фосфатные АКБ

Они отличаются от классических материалом катода. Вместо кадмиевой соли лития используется его соединение с железом и фосфором. Их преимущества таковы:

  • длительный срок службы;
  • стабильность напряжения вплоть до полного разряда;
  • высокий ток разряда;
  • экологическая безопасность вследствие отсутствия ядовитого кадмия;
  • температурная устойчивость.

Подобные источники широко используются в электропогрузчиках, тягачах, электробусах, например, китайском BYD K9.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные АКБ

Материалом катода служит сплав упомянутых в названии металлов. Эти батареи имеют следующие особенности:

  • высокое напряжение элемента — 4,3 В;
  • более 1000 циклов перезаряда;
  • плотность энергии — 200 Втч/кг.

Данные накопители энергии сравнительно дешевы, поэтому часто используются в тяжелой технике. На них же построена силовая установка гиперкаров Concept One, S и Two компании Rimac Automobili.

Перспективные разработки современных аккумуляторов для электромобилей

Изготовители литий-ионных источников энергии непрерывно их совершенствуют и сегодня добились высокого уровня эксплуатации. Компания Tesla, например, анонсировала свои новые элементы питания, которые в 5 раз более емки, чем нынешние, и в 6 раз мощнее. К 2030 году планируется переход на них всей продукции фирмы.

Алюминий-ионные АКБ

Анод этого источника питания алюминиевый, катод из графитовой пены, электролитом служит невоспламеняющийся раствор солей. Главное преимущество технологии — полная безопасность. Разработчики доказывают это, пробивая корпус гвоздями: жидкость просто вытекает без огня и взрыва. Кроме того, зарядка занимает несколько минут и количество перезарядок достигает 7,5 тысяч. Корпус гибкий и полимерный, конструкция весьма многообещающая.

Читайте также:  Аккумулятор для моторола c350

Литий-серные АКБ

Широкому внедрению данной технологии мешало низкое число циклов перезаряда. Но уже предложены конструкции катодов с высоким содержанием серы, допускающие до 1 тыс. циклов и запас хода до 2 тыс. км.

Литий-серные АКБ

Металл-воздушные АКБ

Электричество порождается взаимодействием алюминия и кислорода в присутствии серебряного катализатора. Электролит — обыкновенная вода. Зарядка осуществляется на специальном оборудовании с заменой пластин. Потенциально такой источник способен обеспечить запас хода 1 тыс. км.

Компания Citroen испытывает гибридную силовую установку на модели C1, состоящую их литий-ионного и алюминиево-воздушного источников энергии. Южнокорейский вариант конструкции совсем не заряжается, отработанная пластина просто заменяется на новую, обеспечивающую 700 км пробега. Снятая деталь идет в переплавку, не загрязняя окружающую среду.

Перечисленные конструкции не исчерпывают перспективные направления развития источников питания. Впереди доводка до коммерческих образцов кремний-графитовых, графеновых и твердотельных аккумуляторов для электромобиля.

Как продлить срок службы АКБ

Простые правила эксплуатации продлят жизнь самой дорогого элемента конструкции электрокара:

  • Зарядку нужно делать перед поездкой и не оставлять машину долго без дела. Долгий простой приносит больше вреда, чем интенсивная эксплуатация.
  • Не доводите заряд до уровня 100 % и не разряжайте ниже 20 %. Это оптимальные щадящие границы ее эксплуатации.
  • Скоростные зарядные устройства уменьшают срок службы. Как можно чаще пользуйтесь домашней сетью через бортовое устройство. Желательно делать это в теплом гараже, особенно зимой.

Как продлить срок службы АКБ

Эти советы касаются прежде всего литий-ионных источников, другие технологии имеют свои особенности эксплуатации.

Проблема замены

Рано или поздно потребуется замена АКБ, но пока что комплексно решила эту задачу только китайская компания Nio. Перезарядка осуществляется так: машину ставят в специальный бокс, извлекают автоматическим манипулятором старую АКБ и вставляют новую, уже заряженную. Жаль, но проделать этот номер возможно только с электрокарами, произведенными упомянутой компанией; за пределами Поднебесной такой сервис недоступен. Аналогичную идею замены батареи пыталась внедрить Тесла, однако переключилась на развитие сети зарядок Supercharger.

Производители источников электропитания

На этом рынке доминируют азиатские компании. Объяснение простое — в Китае находятся крупнейшие в мире залежи солей лития и редкоземельных металлов, в частности кадмия. Их добыча и переработка — очень грязное производство, но в Поднебесной долго не существовало экологического законодательства, а рабочая сила стоила дешево.

Например, CATL, то есть Contemporary Amperex Technology, снабжает не только китайские компании, но и BMW, Volkswagen, Daimler, Volvo, Toyota, Honda. Импортные электромобили получали субсидии при ввозе в страну, только если были оснащены китайскими АКБ. Второе место по объему производства занимает BYD, принадлежащая Уоррену Баффету. Большая часть ее продукции используется в ее собственных электрокарах и электробусах.

АКБ для Tesla Motors, Toyota, Honda и Ford Motor поставляет японская компания Panasonic. Ее заводы разбросаны по всему миру, в том числе и Китаю. Южная Корея представлена компанией LG. Ее продукцией комплектуются е-керс компаний Ford, Renault, Hyundai, Volkswagen, Volvo и Tesla.

аккумуляторы электромобилей производители

Конкуренцию ей составляет инновационная Samsung SDI, дочерняя фирма суперкорпорации Samsung Electronics. Открылся собственный завод компании Tesla, разумеется, самый большой в мире. Гегемония азиатских производителей наконец-то поколеблется.

Замена АКБ электромобиля

Пока что большинство е-карс оснащены литиево-ионными батареями, выдерживающими до 1 тыс. перезарядок. Если пополнять энергию каждый день, то через неполные три года емкость аккумулятора и запас хода заметно упадут, еще через три он просто перестанет воспринимать заряд. Эта проблема неизбежно встанет перед каждым владельцем электрокара. Как ее решить?

Заменить АКБ на электромобиле непросто. Мало того, что она весит несколько центнеров и надежно закреплена под днищем, но подключение не ограничивается сменой разъема. Нужно еще и настроить программное обеспечение, пройти согласование и регистрацию в системе управления, возможно, понадобятся новые драйверы, ведь технологии меняются достаточно быстро. Поэтому осуществить полную замену своими силами для рядового водителя — задача неподъемная.

Если же владелец все же решится сделать это самостоятельно, его ждут другие трудности. Цена нового источника питания может составлять до половины стоимости машины. Но в конструкции большинства из них предусмотрена возможность частичной замены блоков, что существенно упрощает и удешевляет операцию. В Интернет-магазинах и на форумах часто предлагают купить восстановленные или бывшие в употреблении модули.

Замена аккумулятора электромобиля Nissan Leaf

Новая батарея Nissan Leaf до начала эпидемии коронавируса стоила около 6500 долларов США, б/у — около 3000. Цена замены батареи Nissan Leaf — еще 400–500 долларов. Но в Россию и Украину этот электрокар официально пока не поставляется, хотя и сертифицирован. Значит, придется ждать поставки из-за рубежа как минимум две недели. А в нынешних условиях карантина сроки непредсказуемы, да и цена тоже. Но есть способ отремонтировать АКБ быстрее и дешевле.

аккумулятор электромобиля Nissan Leaf

Замену батареи Nissan Leaf не обязательно производить целиком. Она модульная и состоит из 48 ячеек, соединенных в 4 блока с манганат-литиевыми положительными электродами и графитовыми отрицательными. Состояние каждого элемента можно проконтролировать через приложение Leaf SPY для смартфона или планшета на Android или iOS.

Подключение к системе управления электрокара происходит через Wi-Fi или Bluetooth при помощи специального OBD-адаптера. На экране наглядно показывается состояние каждой ячейки. Менять нужно только потерявшие емкость, а это гораздо дешевле, ведь одна стоит около 150 долларов. Но для замены ячеек батареи Ниссан Лиф для все равно придется обращаться в СТО, ведь демонтировать придется всю АКБ.

На сайте E-razborka можно купить батарею на Ниссан Лиф мощностью 24 кВт за 3110 долларов, одну ячейку — за 90. Китайская батарея на Ниссан Лиф 40 кВт для модели 2018 года стоит 9000 долларов, предложений по ячейкам сегодня нет. К этой сумме нужно добавить стоимость доставки из Украины и цену работы.

На российском сайте Baza.drom б/у АКБ Nissan Leaf в сборе стоит 2020 долларов, одна ячейка — 94. Но их предлагают только полным комплектом из 48 штук за 4500.

Замена АКБ на электромобиле Tesla

В недавнем интервью Илон Маск заявил, что Tesla Model 3, младшая модель компании, обладает надежностью тяжелого грузовика. То есть рассчитана на пробег около 1,5 млн км без критических поломок. Ресурс батареи Тесла составляет 1500 циклов перезаряда и в среднем обеспечивает запас хода 600 тыс. км. Мало того, компания снизила стоимость замены модулей батареи Тесла, потерявших емкость, до 5–7 тыс. долларов. Неисправные ячейки меняются на рабочие, и обновленный источник электроэнергии используется для других целей, например, как накопитель энергии для солнечных батарей.

Сегодня в новых батареях Тесла используются элементы Tesla 2170 где накапливается на 30 % больше энергии, чем ранее. Конструктивно накопитель емкостью 85 кВтч, например, состоит 7104 пальчиковых ячеек, собранных в 16 модулей, мощность каждого — 5,3 кВтч. В каждом модуле 444 элемента, схема их соединения запатентована. Они расположены под днищем, и для демонтажа необходим специальный подъемник, поддерживающий корпус под колеса. Обычный погрузчик может повредить корпус лапами.

Для питания систем управления служит дополнительный 12-вольтовый источник. Его можно поменять без специальной техники, хотя добраться к месту установки нелегко. Только квалифицированный ремонтник знает, где он находится у каждой конкретной модели. Понятно, что не стоит экспериментировать даже опытному владельцу электромобиля, нужно довериться специалистам.

Цена одного нового модуля тесловского накопителя энергии колеблется в достаточно широких пределах. Например, украинская компания ELMOB предлагает их по 1200 долларов США и с доставкой за 3 месяца. Особенности разных трудностей, возникающих в работе, прекрасно показаны в видеоролике киевской компании Teslaservice. Посмотрите и поймете, почему ремонтники избегают заранее рассказывать о цене замены батареи Тесла.

Подводим итоги

Источники энергии е-карс — сложные и дорогие агрегаты. И хотя литий ионные аккумуляторы для электромобиля купить сегодня не проблема (форумы и сайты объявлений полны предложений типа «продам батарею Ниссан Лиф»), но предугадать степень их износа невозможно.

А вот замена батареи Тесла своими руками в обычном гараже вряд ли возможна. После включения система управления может просто не признать новый аккумулятор. Придется перешивать программное обеспечение в специализированном СТО за отдельные деньги.

Мало того, появляется проблема утилизации. Что делать с несколькими тысячами литий-ионных элементов, отравляющими окружающую среду? В Москве и некоторых других городах крупных городах бывшего СССР уже открыты пункты их сдачи, но в других городах они пока редки.

Вывод прост и очевиден. Руководствуйтесь простыми правилами, продлевающими срок службы АКБ. Не пытайтесь ее заменять или восстанавливать своими силами, не обращайтесь к «народным умельцам», делайте это только в сервисных центрах. Понесенные затраты окупаются стоимостью эксплуатации. Последние новости на эту тему читайте на сайте или нашем канале в «Телеграм».

Источник