Розвиток акумуляторів і сьогоднішні можливості фізики

Електрокари мають вирішити чимало проблем довкілля. Якщо їх заряджати струмом з відновлювальних джерел, то вони практично не матимуть викидів у атмосферу. Певна річ, коли не враховувати їхнього технологічно складного виробництва. Та й їхати на електричній тязі без звичного гудіння двигуна - просто приємніше. Морокою досі лишається постійний клопіт через стан заряду акумулятора. Адже якщо він опуститься до нуля й поруч не буде жодної зарядної станції, то проблем не обберешся. Головною проблемою електромобіля був й залишається акумулятор. В матеріалі DW деякі питання та відповіді:

Якими мають бути акумулятори, щоб електромобілі могли потіснити класичного "залізного коня"?

Є шість вирішальних факторів успішності електрокарів, які живляться з акумуляторних батарей. Насамперед, йдеться про ємність - тобто скільки електричної енергії може зберігати акумулятор, кількість циклічного використання батареї - тобто "заряд-розряд", які акумулятор витримує, перш ніж вийти з ладу, та час підживлення - тобто скільки водієві доведеться чекати, заряджаючи автомобіль, щоб їхати далі.

Не менш важливою є й надійність самого акумулятора. Скажімо, чи зможе він витримати поїздку у високогір'я або подорож спекотною літньою порою. Певна річ, вирішуючи, чи варто купувати електрокар, слід зважати й на такий фактор, як кількість станцій підзарядки та ціна акумуляторів.

Як далеко заїдеш на батареях?

Ті легкові електрокари, що є на ринку сьогодні, на одному заряді долають дистанції від 150 до понад 200 кілометрів. В принципі, ці відстані можна збільшити, якщо подвоїти чи потроїти кількість акумуляторів. Але, по-перше, нині це було б настільки дорого, що покупка електромобіля виявилася б непосильною, а по-друге, самі електромобілі стали б набагато важчими, тож їх треба було б конструювати, розраховуючи на більші навантаження. А це суперечить меті, що переслідують компанії-виробники електрокарів, а саме - легкість конструкції.

Приміром, Daimler нещодавно представив вантажівку на електроприводі, що може долати на одній підзарядці до 200 кілометрів. Однак сам акумулятор важить не менше двох тонн. Зате двигун значно легший, ніж у вантажівці на дизелі.

Які акумулятори домінують на ринку?

Сучасні акумулятори, байдуже, чи йдеться про мобільні телефони, ноутбуки або електрокари, це - майже виключно варіанти так званих літій-іонних акумуляторів. Йдеться про різновиди типів акумуляторів, де лужний метал літій зустрічається як в позитивних і негативних електродах, так і в рідині - так званому електроліті. Як правило, негативний електрод складається з графіту. В залежності від того, які ще матеріали застосовуються у позитивному електроді, розрізняють, приміром, літій-кобальтові (LiCoO2), літій-титанатні (Li4Ti5O12) та літій-залізо-фосфатні акумулятори (LiFePO4).

Особливу роль відіграють літій-полімерні акумулятори. Тут електролітом виступає гелеподібна пластмаса. На сьогодні ці акумулятори - найпотужніші з тих, що знайдеш на ринку, вони досягають ємності енергії до 260 ват-годин на кілограм. Решта літієво-іонних акумуляторів здатні максимум на 140 до 210 ват-годин на кілограм.

А якщо порівняти типи батарей?

Літій-іонні батареї дуже дорогі, насамперед, через високу ринкову вартість літію. Проте мають чимало переваг, порівняно з тими типами зроблених зі свинцю та нікелю акумуляторів, що застосовувалися раніше.

Крім того, літій-іонні акумулятори досить швидко заряджаються. Це означає, що зі звичайним струмом з електромережі електрокар можна підживити за час від двох до трьох годин. А на станціях спеціальної швидкої підзарядки на це може піти одна година.

Старі типи акумуляторів не мають таких переваг та й енергії вони можуть акумулювати значно менше. Акумулятори на нікелевій основі мають ємність енергії від 40 до 60 ват-годин на кілограм. Ще гірші властивості в свинцевих акумуляторах - ємність енергії у них близько 30 ват-годин на кілограм. Проте вони - значно дешевші та без проблем витримують багато років експлуатації.

На скільки вистачає сучасних акумуляторів?

Багато-хто пам'ятає так званий ефект пам'яті акумуляторної батареї в старих акумуляторах. Найбільше він проявлявся в нікелевих акумуляторах. Тоді, якщо хтось думав зарядити акумулятор до шуруповерту чи до ноутбука, хоч батарея була ледь не наполовину заряджена, здатність накопичувати електричну енергію напрочуд сильно скорочувалася. Тож перед кожним процесом зарядки слід було повністю витрати енергію. Для електромобілів це було б катастрофою, адже їх треба підзарядити саме тоді, коли вони перебувають на підходящій відстані від зарядної установки, а не тоді, коли в акумулятора вийшов струм.

Натомість літій-іонні акумулятори не мають такого "ефекту пам'яті". Виробники обіцяють до 10 тисяч циклів "заряд-розряд" та 20 років безперебійної роботи. Водночас нерідко досвід споживачів свідчить про дещо інше - акумулятори ноутбуків "помирають" уже після кількох років роботи. Крім того, завдати непоправної шкоди акумуляторам можуть зовнішні фактори - приміром, екстремальні температури чи допущений через недогляд цілковитий розряд акумулятора або його перезаряд. Дуже важливою в сучасних акумуляторних батареях є безперебійна робота електроніки, що контролює процес підживлення.

Суперакумулятори - лише порожній звук?

Експерти з дослідницького центру Jülich працюють над розробкою кремній-повітряних акумуляторів. Ідея повітряних акумуляторів - не така вже й нова. Так, раніше пробували розробити літій-повітряні акумулятори, в яких позитивний електрод складався б з нанокристалічної решітки вуглецю. При цьому сам електрод не бере участі у електрохімічному процесі, а виступає лише як електропровідник, на поверхні якого відновлюється кисень.

За таким же принципом діють і кремнієво-повітряні акумулятори. Утім, вони мають ту перевагу, що складаються з дуже дешевого кремнію, який зустрічається практично в необмеженій кількості в природі у вигляді піску. Крім того, кремній активно використовують у напівпровідниковій технології.

На додачу до потенційно низької собівартості виробництва, технічні характеристики повітряних акумуляторів теж, на перший погляд, досить привабливі. Адже вони можуть досягти такої ємності енергії, що перевищує сьогоднішні показники втричі, а то й вдесятеро.

Однак до виходу на ринок цим розробкам ще далеко. Найбільшою проблемою є незадовільно коротка "тривалість життя" повітряних акумуляторів. Вона значно нижча за 1000 циклів "заряд-розряд". Певну надію подає експеримент дослідників центру Jülich. Їм вдалося з'ясувати, що тривалість експлуатації таких акумуляторів можна значно підвищити, коли регулярно наповнювати електроліт в цих акумуляторних батареях. Але навіть і при таких технічних рішеннях ці акумулятори не досягнуть і частки тої тривалості експлуатації, яку мають сьогоднішні літій-іонні акумуляторні батареї.