Baterie a vývoj elektromobilu

U automobilů s tepelným motorem má technologický význam pohonné hmoty a palivová nádrž je náhodou právě taková, nádrž. U aut s elektromotorem se však děje pravý opak; jak architektura, tak provoz elektromotoru je velmi jednoduchý a největší technická náročnost dopadá na baterii.

Když v roce 1996 proběhla komercializace Fiat Seicento Elettra Prodával se jako ekologická utilita schopná dosáhnout maximální rychlosti sto kilometrů za hodinu. Měl jeden autonomie přibližně sto kilometrů a jeho baterie se nabíjela asi osm hodin. Mimochodem, vzhledem k velikosti baterie měl tento užitkový vůz pouze dvě sedadla a vzhledem k ceně se jeho komerční difúze příliš nesetkala.

Pokud se vrátíme do současnosti, může být aktuální koncept vozidla podobný tomuto Fiatu Elektrický pohon Smart Fortwo. Tento malý užitkový vůz má autonomii, která je v reálném provozu víceméně podobná té malé italské a doba nabíjení je také víceméně podobná, ale pozor, pouze pokud jej připojíme do zásuvky základní sítě nějakého domů . Technický pokrok aplikovaný na baterii umožnil skupině Daimler nabídnout možnost instalace specifických nabíječek (WallBox) schopných nabíjet osmdesát procent baterie za něco málo přes čtyřicet pět minut.

Základní koncept baterie

jen baterie akumuluje elektřinu, kterou později spotřebovává elektromotor. Jeho účel je podobný jako u palivové nádrže, ale jeho architektura a provoz nemohou být složitější.

Aniž bychom chtěli jít do hloubky v definicích a/nebo chemických procesech, provoz baterie je založen na produkce elektronů z řízených chemických reakcí. Představuji si, že mnozí z vás si ještě pamatují periodickou tabulku, počet elektronů v posledním obalu a stabilitu chemických sloučenin vzniklých po reakci. V případě baterie chemická reakce, ke které dochází uvnitř, podporuje a přenos elektronů ze záporného pólu na kladný pól.

Baterie může být tvořena a variabilní počet buněk, malé nádobky, ve kterých jsou elektrody ponořeny do elektrolytu.

• Elektroda: vodič elektrického proudu, který je v kontaktu s elektrolytem a vnějškem článku. Může to být kladné znaménko (anoda) nebo záporné znaménko (katoda).
• Elektrolyt: jakákoli látka, kterou lze rozložit působením elektrického proudu (elektrolýza).

Pro velmi jednoduchý příklad, v klasickém olověném akumulátoru je jedna elektroda vyrobena z čistého olova (Pb), druhá z oxidu olovnatého (PbO₂) a elektrolytem je kyselina sírová (H₂SO₄) rozpuštěný ve vodě (H₂Ó).

Soubor těchto článků dostává název baterie právě kvůli nezbytnému spojení článků k výrobě elektrické energie. Toto spojení může být v sérii (záporný pól jednoho článku s kladným pólem dalšího článku) pro získání většího elektrického napětí nebo paralelně (všechny póly stejného znaménka spojené dohromady) pro získání větší intenzity.

Baterie iontové

Smart jmenovaný výše má lithium-iontovou baterii. To znamená, že tato baterie nahrazuje elektrolyt kyseliny sírové jiným, kterým je lithná sůl, ale chemický princip, který umožňuje akumulovat elektřinu, je stejný.

Pokud jde o jeho aplikaci na elektromobily, lithium-iontové baterie mají nižší hmotnost a umožňují větší počet dobíjecích cyklů než dojde k výrazné ztrátě kapacity, známé jako degradace baterie. Právě teď se odhaduje, že lithium-iontová baterie může zachová osmdesát procent své kapacity i po třech tisících cyklů plného nabití.

Praktické nevýhody elektromobilu

Pomineme-li cenu a pár existujících upravených infrastruktur u nás, velkým „problémem“ elektromobilu je jeho praktická analýza. Například a Volkswagen Golf 1.5 TSI Je to perfektní kompakt na dlouhé cesty. Vaše palivová nádrž vám umožní jezdit na více než 800 kilometrů a tankováním vaší nádrže nestrávíme více než pět minut

Pokud místo toho máme zájem o nové Volkswagen eGolf, musí nám být jasné, že jeho baterie nám nedovolí dělat cesty delší než dvě stě kilometrů a že naplnění jeho baterie nás donutí pít kávu přibližně pět hodin v 7kilowattové zásuvce.

V tuto chvíli nejednoho napadne auto, jako je tento Tesla Model S 100D, se schválenou autonomií 612 kilometrů, a kompresory značky.

V první řadě uznávám, že tahle Tesla je docela auto, ale její cena 110.000 60 eur ji trochu vytahuje z kapsy velké části Španělů. Na druhou stranu v oběhu rychlostí 70 – XNUMX kilometrů za hodinu je možné dosáhnout vyhlášené autonomie, protože na cestách při rychlosti 120 kilometrů za hodinu zůstává skutečná autonomie přibližně 450 kilometrů, což také není špatné.

Ohledně superchargerů značky se sice očekává velká expanze, až začne komercializace Tesly Model 3, ale dnes se soustředí především na pobřeží Středozemního moře. Ve skutečnosti jsou v Castilla León dva (Burgos a Valladolid) a v komunitách jako Cantabria, Asturias, Galicia nebo Madrid dokonce nejsou žádné.

Tyto kompresory s výkonem až 120 kilowattů umožňují nabijte za 20 minut elektřinu potřebnou k ujetí asi 300 kilometrů ale mají vážnou nevýhodu: se současnou technologií, takto výkonné zátěže zkracují životnost baterie.

Tím chci říct, že se současnou technologií a infrastrukturou, kdo potřebuje dělat časté dlouhé cesty, měl by se podívat na plug-in hybridní vozidla. Například Volkswagen Golf GTE Lze jej každodenně používat jako elektromobil s baterií, která nabízí přibližně 40 kilometrů autonomie, i jako kompaktní 110kilowattové vozidlo, které se dokonale hodí na dlouhé cesty. To ano, kdykoli cestujeme nalehko; zatímco Volkswagen Golf s benzínovým motorem má kufr o objemu 380 litrů, u hybridního modelu zůstává diskrétních 272 litrů (341 litrů u plně elektrického modelu).

Baterie budoucnosti

Nikomu neunikne, že budoucnost automobilového průmyslu prochází elektrifikací. V současné době existuje mnoho značek, které se zavázaly k mikrohybridizace jeho motorů, ale to je pouze mezistupeň mezi vozem na fosilní paliva a elektromobilem.

Velká sázka na elektrický vůz vyžaduje a optimalizace velikosti a výkonu baterie. Na jedné straně je téměř povinné nabízet podobnou úroveň autonomie a doby nabíjení, která může konkurovat vozidlům vybaveným spalovacími motory. Na druhou stranu se také stává nutností snížit hmotnost baterie. Například a Renault Zoe váží 1.545 kg a a Renault Clio TCe 66 zůstává na 1.082 XNUMX kilogramech.

Krátkodobé

Již za čtyři nebo pět let budeme moci vidět elektrická vozidla s a reálná autonomie asi 600 kilometrů díky technickým vylepšením aplikovaným na baterii.

auta jako Opel Ampera-e vybavují jedny z nejmodernějších baterií, které v současnosti vyrábějí. Baterie v tomto Opelu, výrobce LG Chem, je vyrobena z a kombinace kobaltu, lithia, manganu a niklu schopné vyrobit dostatek elektřiny na pohyb auta pro pár lidí 350 kilometrů v reálných podmínkách využití.

Tento typ složené baterie má a životnost, která zdvojnásobuje životnost současného lithia i když je také pravda, že váží přibližně o deset procent více než ty současné a že náklady na jejich výrobu rostou zhruba o stejné procento.

baterie s pevným elektrolytem

Očekává se v roce 2020, pevný elektrolyt má větší hustotu než kapalný a umožňuje tomuto typu baterie uchovat více energie než například lithiová solná baterie. Taky minimalizuje výskyt dendritů, opakující se struktury charakteristické pro první fáze růstu krystalů, které mohou způsobit zkraty v baterii.

Tyto dendrity jsou díky svému chemickému složení tělesa, která mohou nebo nemusí být vodiči elektrické energie. Například iontové a kovalentní krystaly nabízejí velký odpor vůči vedení tepla a/nebo elektřiny a molekulární krystaly jsou v tomto ohledu zcela izolační. Tyto tři typy krystalů omezují nabíjecí kapacitu baterie, protože při jejich tvorbě dochází ke zničení elektrolytu a tím k omezení procesu elektrolýzy.

Existuje čtvrtý typ krystalů, kovové, které se vyznačují tím, že mají málo elektronů v nejvzdálenějších vrstvách a jsou kladně nabité. To znamená, že při své tvorbě ničí elektrolyt a také, jakmile se molekula vytvoří, absorbuje záporně nabité elektrony, které jsou uloženy. Tomu se říká chemická stabilita ve valenčním obalu, což v překladu znamená, že všechny molekuly mívají ve svém posledním obalu (valenčním obalu) osm elektronů (stabilita).

Výhodou baterií s pevným elektrolytem je to se mnohem méně zahřívá a je méně náchylný k degradaci, což znamená, že je schopen udržet svou kapacitu během mnoha dalších nabíjecích procesů.

Grafen v baterii budoucnosti

Po celá léta vědecké výzkumné programy věnovaly grafenu tisíc a jednu otáčku, že materiál složený z čistého uhlíku uspořádaného v pravidelném šestiúhelníkovém vzoru který se zdá být přítomen ve všech aspektech našeho každodenního života, pokud se současná cena 300 USD za gram samozřejmě sníží. Samozřejmě, jakmile cena klesne, očekává se, že se grafen dostane i do baterie elektromobilu.

Podle toho, co bylo zažito u prvních prototypů, má grafenová baterie a pětinásobek energetické hustoty současných lithiových bateriíVzhledem k jeho chemickému složení je riziko výbuchu téměř nulové a v případě zkratu by byla nefunkční pouze poškozená část.

Mezi výhody grafenové baterie oproti současným patří její větší kapacita, nižší hmotnost při stejném objemu a nepřekonatelná nosnost (100kwh baterii bylo možné nabít za méně než deset minut).

Mezi jeho nevýhody můžeme vyzdvihnout, že se na trh nedostanou dříve než za deset nebo patnáct let a že jediná španělská společnost, která se věnuje vyšetřování grafenových baterií a která byla světovou referencí, byla nedávno obviněna z podvodu a je vyšetřována Národní komise pro trh s cennými papíry.

Když jsem byl malý, říkali, že v roce 2000 budou létat auta a nebudou mít řidiče. Rád bych se k tomuto článku vrátil v roce 2030 a mohl analyzovat, jaké jsou současné prognózy. Něco mi samozřejmě říká, že evoluce baterií nás bude rok co rok překvapovat.