Типы аккумуляторных батарей для электромобилей

Аккумуляторная батарея является самой важной и дорогостоящей частью электромобиля. Существует несколько видов батарей.

Таблица 1.

Сопоставление показателей трех типов аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотный аккумулятор в настоящее время является довольно популярным видом батареи, хотя его показатели намного ниже чем у более современных видов батареи. Все дело в том, что этот вид батареи всегда есть в продаже и имеет относительно низкую стоимость. Кроме того, у него большой диапазон рабочих температур (от -40 до +40 градусов), высокий КПД (ДО 90%). При этом эти аккумуляторы много весят, при этом имея низкую энергоёмкость, характеризуются низким жизненным циклом. Не надежны (могут в любой момент выйти из строя), обладают низкой мощностью.

Не смотря на проигрыш более новым видам аккумуляторов, конструкторы работают над улучшением свинцово-кислотных батарей, использование которых не ограничивается электромобилями.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) - тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях.

При разработке электрокаров используют литий-ионные аккумуляторы. Они имеют относительно небольшие размеры. Существует много разновидностей данных аккумуляторов: их работа может базироваться как на кобальте лития с использованием графитовых электродов, так и на комбинации других химических соединений – LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4. Литий-ионные батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с теми, которые использовались раньше. Например, никель-металл-гибридными аккумуляторами вырабатывается в два раза меньше энергии, чем современными.

Долгосрочность периода, на протяжении которого служит аккумулятор для электрокара, измеряется в количестве допустимых циклов заряда и разряда. Эта цифра колеблется у разных автопроизводителей. Можно взять авто, не отличающиеся дорогой ценой и являющееся доступным для покупателей со средним доходом. Тогда аккумулятор в среднем может быть введен в эксплуатацию на 5-6 лет. Этот период взят из расчета, что зарядка батареи будет производиться каждый день. Компании, производящие более дорогие машины, например, дают гарантию, что аккумулятор электрокара будет служить 8-10 лет.

Для того, чтобы зарядка занимала минимальное количество времени, необходимо установить трёхфазную розетку, которая имеет силу тока в 16 А и подает ток с мощностью 11 кВт. Тогда для того, чтобы аккумулятор был полностью заряжен, понадобится около 8 часов.

Литий-ионный аккумулятор имеет показатели значительно лучше, чем свинцово-кислотный: при значительно меньшем размере они имеют в разы большую энергоёмкость, в 10 раз более мощные, стоимость энергии выходит дешевле. Срок службы литий-ионной батареи больше.

Цена литий-ионного аккумулятора выше, чем у свинцово-кислотного, однако цена на данный вид батареи стремительно снижается.

В 2020 году потребности российской экономики в литий-ионных накопителях энергии нового типа по самым скромным подсчетам оцениваются в 390 млн долларов, в то время как потребности 2011 года составили 17 млн долларов. Такие данные получены экспертами компании «Лиотех».

Согласно исследованию, мировой рынок ЛИА покажет сопоставимые темпы роста: до 2020 года он вырастет примерно в 15 раз, его объем составит 28,6 млрд долларов. Российский рынок начал формироваться совсем недавно, поэтому он гораздо более скромен по объему, но демонстрирует лучшую динамику.

Согласно исследованиям, в России основным потребителем ЛИА станет автомобильная промышленность, так как электротранспорт будет завоевывать все более сильные позиции в наиболее густонаселенных регионах страны. На втором месте по уровню спроса на ЛИА станет отрасль электроэнергетики, где накопители на базе ЛИА, отличающиеся высоким КПД (95-99%), смогут использоваться в качестве сетевых накопителей энергии.

Структура потребления ЛИА в мире идентична российской: основной объем аккумуляторов выпускается для автопрома, затем идет энергетика и промышленность. Стоит так же отметить, что как в Европе, так и в Америке давно и успешно реализованы проекты по использованию альтернативной энергетики, которые максимально эффективны именно с накопителями на основе литий-ионных аккумуляторов.

Так же ученые предложили новый тип аккумулятора - литий-воздушный (LiO2). Его теоретическая энергетическая емкость выше в 810 раз, чем у литиево-ионного.

Для того чтобы уменьшить вес батареи, сохранив при этом, или даже увеличив ее емкость, ученые предложили радикальное решение - отказ от традиционного катода: литий будет взаимодействовать непосредственно с кислородом из воздуха. Благодаря так называемому каталитическому воздушному катоду ученым удастся не просто увеличить энергоемкость аккумулятора, но и уменьшить почти во столько же раз его объем и вес.

Для массового производства литий-воздушная технология требует решения множества технических и научных задач, среди которых создание эффективного катализатора, литиевого анода и стабильного твердого электролита, показывающего свою работоспособность при критически низких температурах (до -50C). Кроме того, нужно разработать технику нанесения катализатора на поверхность катода, создать мембрану, которая бы предотвращала проникновение кислорода на литиевый анод, а также разработать методы изготовления специальных пористых электродов.

Усовершенствованием литий-воздушной технологии занимается и Национальная лаборатория Аргонн, принадлежащая Министерству энергетики США. Цель Аргонн довольно амбициозная - литий-воздушная батарея для электромобиля, которая будет иметь удельную энергоемкость от 8 до 13 кВт*ч на килограмм веса. То есть, в этом случае запас хода электромобиля на одном заряде составит около 900-1000 километров.

В 2018 году американские химики впервые создали эффективный литий -воздушный аккумулятор, который выдерживает 700 циклов зарядки— разрядки, что сравнимо с показателями современных литий-ионных аккумуляторов, которые работают без значительного снижения емкости от 400 до 1200 циклов.

Основная проблема литий-воздушных батарей — затрудненная работа в условиях химического состава воздуха. Эффективные литий-кислородные батареи с использованием чистого кислорода уже удавалось получить, однако они не могут применяться на практике и обладают повышенной взрывоопасностью. В случае же присутствия в газовой среде азота, углекислого газа и воды продукты побочных реакций загрязняют поверхность электродов и заметно снижают время работы аккумулятора, и уже после 10—20 циклов зарядки—разрядки батарея перестает работать.

Согласно информации японской Nikkei Asian Review, ведется разработка перспективных аккумуляторных батарей для электромобилей нового поколения, емкость заряда которых вдвое превышает показатели популярных сегодня литий-ионных аккумуляторов, и примерно на 50% показатели нового поколения твердотельных батарей.

Таким образом, литий-воздушный аккумулятор является крайне перспективным проектом и в дальнейшем может совершить прорыв в электрификации транспорта. Пока же самым популярным и оптимальным видом батареи является литий-ионный аккумулятор, конструкция и характеристики которого так же постоянно улучшаются.