Чи можуть суперконденсатори замінити батареї в електромобілях?

Електромобілі та гібриди міцно вкорінюються в свідомості сучасного автомобіліста, як новий виток в еволюції транспортних засобів. Якщо розглядати ці автомобілі в порівнянні з моделями, оснащеними ДВС, вони мають свої переваги і недоліки.

До переваг завжди відноситься безшумність роботи, а також відсутність забруднення в процесі їзди (хоча на сьогоднішній день виготовлення однієї батареї для електромобіля сильніше забруднює навколишнє середовище, ніж 30 років роботи одного дизельного двигуна).

До найголовнішого нестачі електромобілів відносять необхідність в зарядці батареї. У в'язі з цим провідні автовиробники розробляють різні варіанти, як би збільшити тривалість ресурсу АКБ і збільшити інтервал між зарядками. Один з таких варіантів - використання суперконденсаторів.

Розглянемо цю технологію на прикладі новинки автопрому - Lamborghini Sian. У чому переваги і недоліки цієї розробки?

Новинка на ринку електромобілів

Коли Lamborghini починає випускати гібрид, ви можете бути впевнені, що це буде не просто більш потужна версія Toyota Prius.

Sian, дебют італійської компанії в області електрифікації, є першим серійним гібридним автомобілем (цілих 63 примірники), в якому замість літій-іонних батарей використовуються суперконденсатори.

Багато фізиків і інженери вважають, що саме в них, а не в літій-іонних батареях, лежить ключ до масової електричної мобільності. Sian використовує такі для зберігання електрики і, при необхідності, подачі його на свій невеликий електродвигун.

переваги суперконденсаторів

У порівнянні з найсучаснішими батареями суперконденсатори заряджаються і виділяють енергію набагато швидше. Крім того, вони можуть витримувати значно більше циклів зарядки і розрядки без втрати ємності.

У випадку з Sian суперконденсатор пускає в хід електродвигун потужністю 25 кіловат, який вбудований в коробку передач. Він може або забезпечити додатковий приріст 6,5-літрового V12 ДВС потужністю 785 кінських сил, або керувати спортивним автомобілем самостійно під час маневрів на низькій швидкості, наприклад, при парковці.

Оскільки зарядка дуже швидка, цей гібрид не потрібно підключати до розетки або зарядної станції. Суперконденсатори заряджаються повністю кожен раз, коли автомобіль гальмує. Акумуляторні гібриди також мають рекуперацію гальмівної енергії, але вона повільна і лише частково допомагає продовжити електричний пробіг.

У суперконденсатора є ще один дуже великий козир: вага. У Lamborghini Sian вся система - електродвигун плюс конденсатор - додає у вазі всього на 34 кілограми. При цьому приріст потужності становить 33,5 кінських сил. Для порівняння, лише батарея Renault Zoe (із 136 кінськими силами) важить близько 400 кг.

недоліки суперконденсаторів

Звичайно, суперконденсатори також мають недоліки, порівняно з акумуляторами. Згодом вони накопичують енергію набагато гірше – якщо Сіан не їздив тиждень, у конденсаторі не залишається енергії. Але є й можливі вирішення цієї проблеми. Lamborghini працює з Массачусетським технологічним інститутом (MIT) над створенням суто електричної моделі на основі суперконденсаторів – знаменитої концепції Terzo Millenio (Third Millennium).

bst

До речі, Lamborghini, яка знаходиться під егідою Volkswagen Group, не єдина компанія, яка експериментує у цій галузі. Гібридні моделі Peugeot вже багато років використовують суперконденсатори, як моделі водневих паливних елементів Toyota і Honda. Китайські та корейські виробники встановлюють їх у електричні автобуси та вантажівки. А минулого року Tesla купила Maxwell Electronics, одного з найбільших у світі виробників суперконденсаторів – вірна ознака того, що принаймні Ілон Маск вірить у майбутнє цієї технології.

7 ключових фактів для розуміння суперконденсаторів

1 Як працюють батареї

Акумуляторна технологія – це одна з речей, яку ми давно сприймаємо як належне, не замислюючись про те, як вона працює. Більшість людей уявляють, що при зарядці ми просто наливаємо електрику в акумулятор, як воду в склянку.

Але батарея не накопичує електрику безпосередньо, а тільки виробляє її, коли це необхідно, шляхом хімічної реакції між двома електродами і рідиною, що розділяє їх (найчастіше), званої електролітом. У цій реакції хімічні речовини у ньому перетворюються на інші. Під час цього процесу виробляється електрика. Коли вони повністю перетворюються, реакція припиняється – акумулятор розряджено.

Однак з акумуляторними батареями реакція також може відбуватися у протилежному напрямку – коли ви заряджаєте її, енергія запускає зворотний процес, який відновлює вихідні хімічні речовини. Це може повторюватися сотні чи тисячі разів, але при цьому неминуче виникають втрати. Згодом на електродах накопичуються паразитні речовини, тому термін служби батареї обмежений (зазвичай від 3000 до 5000 циклів).

2 Як працюють конденсатори

В конденсаторі не відбувається хімічних реакцій. Позитивний і негативний заряд виробляються виключно статичною електрикою. Усередині конденсатора знаходяться дві провідні металеві пластини, розділені ізолюючим матеріалом, який називається діелектриком.

Зарядка дуже схожа на процес втирання кульки в вовняний светр, щоб він прилип за допомогою статичної електрики. Позитивні і негативні заряди накопичуються в пластинах, і роздільник між ними, який не дозволяє їм вступати в контакт, фактично є засобом накопичення енергії. Конденсатор можна заряджати та розряджати навіть мільйон разів без втрати ємності.

3 Що таке суперконденсатори

Звичайні конденсатори занадто малі для зберігання енергії – зазвичай вимірюються у мікрофарадах (мільйонах фарадів). Ось чому в 1950-х роках було винайдено суперконденсатори. У їх найбільших промислових варіантах, що випускаються такими компаніями, як Maxwell Technologies, ємність сягає кількох тисяч фарад, тобто 10-20% ємності літій-іонного акумулятора.

4 Як працюють суперконденсатори

На відміну від звичайних конденсаторів тут немає діелектрика. Натомість дві пластини занурені в електроліт і розділені дуже тонким ізолюючим шаром. Місткість суперконденсатора фактично збільшується зі збільшенням площі цих пластин та зменшенням відстані між ними. Щоб збільшити поверхню, в даний час вони покриті пористими матеріалами - наприклад, вуглецевими нанотрубками (настільки мініатюрними, що 10 мільярдів з них містяться в одному квадратному см). Сепаратор може мати товщину лише одну молекулу із шаром графену.

Щоб зрозуміти різницю, найкраще представити електрику як воду. Простий конденсатор в цьому випадку буде схожий на паперову серветку, яка може поглинати обмежена кількість. Суперконденсатор це кухонні губка в прикладі.

5 Акумулятори: плюси і мінуси

Батареї мають одну істотну перевагу – високу густину енергії, яка дозволяє їм зберігати відносно великі обсяги енергії в невеликому резервуарі.

Однак у них також є багато недоліків – велика вага, обмежений термін служби, повільна зарядка та відносно повільне виділення енергії. Крім того, для їх виробництва використовуються токсичні метали та інші небезпечні речовини. Батареї ефективні лише у вузькому температурному діапазоні, тому їх часто необхідно охолоджувати або нагрівати, що знижує їхню високу ефективність.

6 Суперконденсатори: плюси і мінуси

Суперконденсатори значно легші за батареї, їхнє життя незрівнянно довше, вони не вимагають будь-яких небезпечних речовин, заряджаються і віддають енергію практично миттєво. Оскільки вони майже не мають внутрішнього опору, вони не витрачають енергію на функціонування – їхня ефективність становить 97-98%. Суперконденсатори працюють без суттєвих відхилень у всьому діапазоні від -40 до +65 градусів Цельсія.

Недоліком є ​​те, що вони зберігають значно менше енергії, ніж літій-іонні акумулятори.

7 Нові матеріали

Навіть самі передові сучасні суперконденсатори не можуть повністю замінити батареї в електромобілях. Але багато вчених і приватні компанії працюють над їх поліпшенням. Наприклад, у Великій Британії Superdielectrics працює з матеріалом, спочатку створеним для виробництва контактних лінз.

Skeleton Technologies працює з графеном – алотропною формою вуглецю. Один шар товщиною в один атом у 100 разів міцніший за високоміцну сталь, а всього лише 1 грам його може покрити 2000 квадратних метрів. Компанія встановила графенові суперконденсатори у звичайних дизельних фургонах та досягла 32% економії палива.

Незважаючи на те, що суперконденсатори ще не можуть повністю замінити АКБ, на сьогоднішній день спостерігається позитивна тенденція у розвитку даної технології.

Питання та відповіді:

Як працює суперконденсатор? Він працює так само, як і високоємний конденсатор. У ньому електроенергія накопичується за рахунок статики під час поляризації електроліту. Хоча це електрохімічне пристрій, у ньому немає хімічна реакція.

Навіщо потрібен суперконденсатор? Суперконденсатори використовуються для накопичення енергії, запуску моторів у гібридних транспортних засобах, як джерела короткочасного струму.

Чим суперконденсатор відрізняється від різних типів акумуляторів? Акумулятор здатний виробляти електрику за рахунок хімічної реакції. Суперконденсатор лише накопичує енергію, що вивільняється.

Де використовується Іоністор? Малоємні конденсатори використовуються у фотоспалахах (розряджається повністю) та в будь-яких системах, в яких потрібна велика кількість циклів розряду/заряду.