акумулятори електромобілів є ключовим компонентом, щоб зробити їх більш привабливими та цікавими, і тому можуть стати популярними: від них залежать автономність, ціна, швидкість перезарядки та термін служби автомобіля, основні аспекти, які досі стримують багатьох користувачів.

автономії

З моменту появи перших електричних автомобілів, трохи більше ніж за 100 років ми спостерігали значну еволюцію акумуляторів: від старих свинцево-кислотних або нікелево-залізних до сучасних літій-іонних акумуляторів, можна було збільшити акумулятор більше ніж на 12 разів.автономія електромобіля.

Завдяки важливому технологічному стрибку, який зробили акумулятори за останні роки, все більше виробників автомобілів заохочується розробляти нові моделі електричних автомобілів, з досить привабливими обіцянками на найближчі 4 роки, із затвердженими NEDC автономіями, які рухатимуться між 400 та 600 км.

Сьогоднішнє майбутнє: нікель та кобальт

Оскільки це хімія акумуляторних елементів з найвищою щільністю енергії, в даний час усі електричні автомобілі на ринку використовують літій-іонні батареї з рідким електролітом, тобто матеріал, який знаходиться між катодом (негативним електродом) і анодом (позитивним електродом), і який дозволяє переносити електрони, є рідким розчином.

У літій-іонних батареях є, в свою чергу, різні їх підтипи, з невеликими хімічними різницями, при використанні різних елементів в катоді та аноді або різною пропорцією між ними (наприклад, літій-залізо-фосфатні батареї є найбільш економічними, хоча мають меншу ємність на одиницю об’єму та маси).

Найважливішим стрибком, який ми переживаємо зараз, є перехід від гомологізованих автономій у простроченому європейському циклі NEDC, що становить приблизно 150-200 км, до нинішніх 400-500 км, завдяки використанню нових осередків барабани іон літій з нікель Y кобальт (Хоча також допомогло більш компактне розташування елементів і внутрішніх компонентів батареї, що дозволяє краще використовувати обсяг акумуляторної батареї).

Зазвичай використовують графіт або аноди з графіту та кремнію, а катоди літію, нікелю, кобальту та алюмінію, наприклад Panasonic, для Тесли, або літій, нікель, марганець та кобальт, наприклад LG Chem, для Renault, Chevrolet, Opel, Volkswagen та інших виробників.

Останні також мають ту перевагу, що вони також мають більший термін служби (приблизно вдвічі), ніж "старі" літій-іонні акумулятори, зберігаючи або незначно покращуючи швидкість підзарядки і навряд чи збільшуючи вагу акумулятора (трохи менше 10%) . так, справді, вони дорожчі, хоча вплив на кінцеву ціну продажу автомобіля залишається приблизно від 5 до 10%.

Тому ми перейшли від щільності енергії трохи більше 250 Вт/л (і питомої енергії близько 100 Вт/кг) перших літій-іонних батарей, приблизно до 400 Вт/л (180 Вт/кг) і 650 Вт/л (250 Вт/кг). Це поточна реальність, на якій базується більшість виробників, які пропонують нові моделі електричних автомобілів з досить пристойною автономністю, приблизно 500 км омологізовані NEDC (близько 375 км WLTP).

А звідси ще що?

акумулятори іонів літію з нікелем та кобальтом все ще мають кількарічний досвід, серед іншого тому, що необхідно, щоб вони значно впали в ціні, щоб окрім помірно пристойної автономії можна було говорити про доступні електромобілі. Це займе деякий час, щоб прибути, ми точно побачимо, скільки часу, оскільки є ті, хто говорить про 2030 рік, а інші говорять про 2023 рік, але в принципі він повинен прибути, він повинен прибути.

Звідси ми все ще входимо в поле батарей під слідством або лабораторними експериментами, тому ми повинні бути розважливими і розуміти, що це акумулятори, які можуть продаватися, а можуть і не продаватися, а також не може бути вказана точна дата їх прибуття.

Новим типом літієвої батареї буде літію та сірки. Він все ще використовує рідкий електроліт, і його питома енергія може перевищувати 350 Вт/кг. Невелика проблема полягає в тому, що їм також доводиться використовувати графен, вуглецеву структуру, яку, незважаючи на випадкові хвилюючі обіцянки (в кінцевому підсумку сумнівну реальність), все ще важко виготовити у великих масштабах і за низькою вартістю.

Ще однією важливою еволюцією літієвих батарей буде перехід від іонів літію до металевий літій, захищений від корозії. Наприклад, це обіцяє потроїти ємність основних літієвих батарей (хоча ми знову покладаємось на графен). Мабуть, найсерйознішою пропозицією є Licerion by Sion Power, з акумуляторами щільністю енергії до 700 Вт/л (400 Вт/кг питомої енергії).

Компанія Sion Power вже кілька років співпрацює з BASF у галузі досліджень, а нещодавно LG Chem придбала права на виробництво та комерціалізацію елементів та батарей на промисловому рівні.

Замініть рідкий електроліт на твердий

Ще однією дуже серйозною ставкою, хоча нам ще доведеться почекати кілька років, щоб побачити її комерціалізацію, є твердотільні батареї, крок за межі літієвих металевих акумуляторів. Тут і Samsung, і LG Chem дуже близькі до того, щоб її досягти: спочатку здається, що вони прибудуть для мобільних електронних пристроїв (кажуть приблизно до 2020 року), а пізніше для електромобілів (близько 2025 року).

У цих батареях головним є те, що замість рідкого електроліту між катодом і анодом використовується твердий електроліт (і проблема корозії більше не існує, а також не потрібні ніякі сепаратори). Bosch Він також не стояв склавши руки, він купив Seeo, і він також переслідує цей тип батареї.

Всі нові переваги цієї нової комірки, і вона може стати головним героєм наступного десятиліття: вона майже вдвічі збільшує щільність енергії поточної літій-іонної батареї (приблизно 1200 Вт · ч/л), вона не нагрівається настільки, ризик пожежі майже дорівнює нулю, він швидше заряджається (теоретично в 6 разів швидше) і термін його служби довший.

Це означає, що ми пішли б до електромобілі середнього розміру і більш-менш доступної ціни з реальною автономією понад 650 км (що в поточному європейському циклі гомологації NEDC мало би зникнути трохи більше 800 км). З такими акумуляторами, водневій машині буде набагато складніше.

У цьому ж рядку ми маємо твердотільний акумулятор, з кристалізованим електролітом і натрію Металевий, а не металевий літій, дешевший і має ще більшу ємність. Може бути досягнуто 650 Вт/кг питомої енергії. Це також дуже цікаво, оскільки основний матеріал хімії акумуляторів змінений (це вже не буде літій), і, таким чином, можна буде уникнути проблем із надмірним попитом чи пропозицією.

Додатковою перевагою твердотільних натрієвих акумуляторів є те, що вони також можуть працювати з невеликою втратою заряду дуже низькі температури навколишнього середовища. За словами його дослідницької групи, вони продовжують мати високу електропровідність при температурі 20 градусів Цельсія нижче нуля. Це вирішує проблему в сучасних електромобілях, в яких при дуже низьких температурах автономність може в крайніх випадках зменшитися лише до половини від теоретично затвердженої автономії.

За цими твердотільними натрієвими металевими батареями стоїть літній німецький фізик, націоналізований американець Джон. Б. Гудіноу, який визнаний співавтором літій-іонних батарей, коли в 1980 р. Його команда в Оксфордському університеті досягла успіху в розробці катодного оксиду літію кобальту. До 1991 року вам знадобився один, коли Sony запустила перший комерційний літій-іонний акумулятор в одній зі своїх відеокамер.

Toyota, як видається, є першим виробником, який оголосив про запуск твердотільний акумулятор електромобіль в 2022 році. Хоча японський бренд кілька років відкладав електромобілі, зосереджуючись на своїй курі, яка несе золоте яйце, бензинових гібридних автомобілях, правда полягає в тому, що з 2008 року у нього був спеціальний дослідницький підрозділ революційного, твердотільного, металево-повітряні батареї, відомі як батарея Сакічі, на 1000 км автономності.

Як ми щойно побачили, ще один напрямок досліджень батарей майбутнього з ще більшою щільністю енергії - це елементи клітинних батарей. метал-повітря. Тут метал може бути різним, літієм, натрієм або алюмінієм. Вони обіцяють найвищу питому енергію з усіх понад 1600 Вт/кг. Наприклад, BASF також досліджує цей тип (але тут ми ще не говоримо про дати).

Інші типи акумуляторів

Окрім акумуляторних батарей, якими ми їх знаємо сьогодні (підключення до розетки для підзарядки, для ряду циклів зарядки та розрядки), інші типи акумуляторів також досліджуються на предмет електромобілі.

З одного боку, ми маємо багаторазові електролітні батареї. Це напрямок роботи, про який ми чули в 2011 році з Массачусетського технологічного інституту: замість того, щоб підключити автомобіль, щоб зарядити акумулятор електричною енергією, два резервуари спорожняються і наповнюються зарядженим електролітом, один позитивний, а інший негативний (насправді вода з розчиненими солями), які потім взаємодіють через пористу мембрану, генеруючи електричний струм. Його принцип дуже схожий на принцип роботи паливних елементів.

Це те, що також відоме як проточні акумулятори, або напівтверді проточні комірки. Так пропонує, наприклад, бренд NanoFlowCell, який навіть представив кілька прототипів електромобілів, які використовують цей тип акумуляторів під маркою Quant, з автономністю до 1000 км, наприклад Quant 48Volt, Quant e-Sportlimousine, або Quantino.

Проблема цієї системи полягає не в тому, що вона не працює, а в тому, що вона вимагає існування інфраструктури для заправки електролітів (яку в цьому випадку не потрібно спорожняти), а також у тому, що сама машина має два баки по 159 літрів кожен, що означає додавання великої ваги. Кажуть, що кожен літр електроліту коштує близько 0,10 євро, тому наповнення резервуару складе майже 32 євро, з яким можна проїхати від 800 до 1000 км.

Конденсатори - це електричні пристрої, здатні накопичувати електричну енергію під час зарядки завдяки електричному полю, а потім повертати її в ланцюг, коли зарядка припиняється. Їх перевага полягає в тому, що їх можна заряджати і розряджати дуже швидко, за лічені секунди, і вони мають дійсно довгий термін корисного використання, але недоліком є ​​те, що ємність (їх питома енергія або щільність енергії) нижча, ніж у літій-іонних акумуляторів.

Для поліпшення ємності використовується суперконденсатори. Сьогодні вони вже існують, але їх питома енергія, близько 30 Вт/кг, не така висока, як у батарей. Вони використовуються, наприклад, у деяких міських електричних автобусах, які дуже швидко заряджаються на зупинках, як, наприклад, у цьому проекті компанії Tosa та ABB для Женеви.

Для подальшого збільшення його потужності досліджуються суперконденсатори графена, які можуть досягати, наприклад, 64 Вт/кг питомої енергії.

Намагаючись об’єднати найкраще з обох світів, існують також бацитори, також відомі як гібридні суперконденсатори або LIC, оскільки вони є комбінацією конденсатора та літій-іонної батареї. На даний момент вони використовуються в гібридних змагальних автомобілях, але ми побачимо, звідки походить їх еволюція.

Як ми щойно розглянули, область, пов’язана з накопиченням електричної енергії, ще має багато можливостей для вдосконалення, і зараз, коли все більше виробників автомобілів переконані випускати електромобілі, а також великі світові виробники електроніки, зацікавлені у вході в У світі як постачальника більше немає сумнівів у тому, що є бізнес, і що він є і буде дедалі кращим акумулятори та електромобілі, і що вони більше не матимуть проблем з автономністю (або з терміном служби акумулятора). Настає справжня революція.