Kas superkondensaatorid võivad elektrisõidukite patareisid asendada?

Elektriautod ja hübriidid on tänapäevase autojuhi peas kindlalt juurdunud kui uus voor sõidukite arengus. Võrreldes ICE-ga varustatud mudelitega on neil sõidukitel oma eelised ja puudused.

Eeliste hulka kuulub alati vaikne töö, samuti reostuse puudumine sõidu ajal (kuigi tänapäeval reostab ühe elektrisõiduki aku valmistamine keskkonda rohkem kui 30 aastat ühe diiselmootori töötamise ajal).

Elektrisõidukite peamine puudus on aku laadimise vajadus. Seoses sellega töötavad juhtivad autotootjad välja erinevaid võimalusi, kuidas suurendada aku kasutusaega ja suurendada laadimiste vahelist intervalli. Üks neist võimalustest on superkondensaatorite kasutamine.

Mõelge sellele tehnoloogiale uue autotööstuse - Lamborghini Sian - näitel. Millised on selle arengu eelised ja puudused?

Uus elektrisõidukite turul

Kui Lamborghini hakkab hübriidi kasutusele võtma, võite olla kindel, et see pole lihtsalt Toyota Priuse võimsam versioon.

Itaalia elektrifitseerimisfirma debüüt Sian on esimene seeria hübriidauto (ilmatu 63), milles kasutatakse liitiumioonakude asemel superkondensaatoreid.

Paljud füüsikud ja insenerid usuvad, et neil on liitiumioonakude asemel elektrilise massilise liikuvuse võti. Sian kasutab neid elektri salvestamiseks ja vajadusel oma väikese elektrimootori toitmiseks.

Superkondensaatorite eelised

Superkondensaatorid laadivad ja vabastavad energiat palju kiiremini kui enamik tänapäevaseid patareisid. Lisaks suudavad nad taluda oluliselt rohkem laadimis- ja tühjendustsükleid.

Siiani puhul juhib superkondensaator käigukasti sisse ehitatud 25-kilovatist elektrimootorit. See võib anda täiendava tõuke 6,5 hobujõulisele 12-liitrisele V785 sisepõlemismootorile või juhtida sportautot iseseisvalt madalatel kiirustel, näiteks parkimisel.

Kuna laadimine on väga kiire, ei pea seda hübriidi ühendama seinakontakti ega laadimisjaama. Superkondensaatorid on täis laaditud iga kord, kui sõiduk pidurdab. Aku hübriididel on ka pidurdusenergia taastamine, kuid see on aeglane ja aitab vaid osaliselt laiendada elektrilist ulatust.

Superkondensaatoril on veel üks väga suur trump: kaal. Lamborghini Sianis lisab kogu süsteem – elektrimootor pluss kondensaator – kaalule vaid 34 kilogrammi. Sel juhul on võimsuse kasv 33,5 hobujõudu. Võrdluseks, ainuüksi Renault Zoe aku (136 hobujõuga) kaalub umbes 400 kg.

Superkondensaatorite puudused

Muidugi on superkondensaatoritel akudega võrreldes ka miinuseid. Aja jooksul kogunevad nad energiat palju hullemini – kui Sian pole nädal aega sõitnud, ei jää kondensaatorisse energiat. Kuid sellele probleemile on ka võimalikke lahendusi. Lamborghini teeb koostööd Massachusettsi Tehnoloogiainstituudiga (MIT), et luua superkondensaatoritel põhinev puhtalt elektriline mudel, kuulus Terzo Millenio (kolmas aastatuhande) kontseptsioon.

bst

Muide, Volkswageni kontserni egiidi all olev Lamborghini pole ainus selles vallas eksperimenteeriv ettevõte. Peugeot hübriidmudelid on superkondensaatoreid kasutanud juba aastaid, nagu ka Toyota ja Honda vesinikkütuseelemendi mudelid. Hiina ja Korea tootjad paigaldavad neid elektribussidesse ja veoautodesse. Ja eelmisel aastal ostis Tesla maailma ühe suurima superkondensaatorite tootja Maxwell Electronicsi, mis on kindel märk sellest, et vähemalt Elon Musk usub tehnoloogia tulevikku.

7 peamist fakti superkondensaatorite mõistmiseks

1 Kuidas patareid töötavad

Akutehnoloogia on üks neist asjadest, mida oleme pikka aega pidanud iseenesestmõistetavaks, mõtlemata selle toimimisele. Enamik inimesi kujutab ette, et laadimisel “valame” lihtsalt akusse elektrit, nagu vett klaasi.

Kuid aku ei salvesta elektrit otse, vaid genereerib seda ainult vajaduse korral keemilise reaktsiooni käigus kahe elektroodi ja neid eraldava vedeliku (kõige sagedamini) vahel, mida nimetatakse elektrolüüdiks. Selles reaktsioonis muutuvad selles olevad kemikaalid teisteks. Selle protsessi käigus toodetakse elektrit. Kui need on täielikult muundatud, reaktsioon peatub - aku tühjeneb.

Laetavate akude puhul võib aga reaktsioon toimuda ka vastupidises suunas – laadimisel käivitab energia pöördprotsessi, mis taastab algsed kemikaalid. Seda võib korrata sadu või tuhandeid kordi, kuid paratamatult on kaotusi. Aja jooksul kogunevad elektroodidele parasiitained, mistõttu aku kasutusiga on piiratud (tavaliselt 3000–5000 tsüklit).

2 Kuidas kondensaatorid töötavad

Kondensaatoris ei toimu keemilisi reaktsioone. Positiivseid ja negatiivseid laenguid tekitab eranditult staatiline elekter. Kondensaatori sees on kaks juhtivat metallplaati, mis on eraldatud isoleermaterjaliga, mida nimetatakse dielektrikuks.

Laadimine on väga sarnane palli hõõrumisele villasesse kampsunisse, et see kleepuks staatilise elektriga. Plaatidesse kogunevad positiivsed ja negatiivsed laengud ning nende vaheline separaator, mis takistab nende kokkupuudet, on tegelikult energia salvestamise vahend. Kondensaatorit saab laadida ja tühjendada isegi miljon korda ilma võimsuse kadumiseta.

3 Mis on superkondensaatorid

Tavalised kondensaatorid on energia salvestamiseks liiga väikesed – tavaliselt mõõdetakse neid mikrofaraadides (miljonites farade). Seetõttu leiutati 1950. aastatel superkondensaatorid. Nende suurimates tööstuslikes variantides, mida toodavad sellised ettevõtted nagu Maxwell Technologies, ulatub võimsus mitme tuhande faraadini, see tähendab 10-20% liitiumioonaku mahust.

4 Kuidas toimivad superkondensaatorid

Erinevalt tavalistest kondensaatoritest pole dielektrikat. Selle asemel on need kaks plaati sukeldatud elektrolüüti ja eraldatud väga õhukese isolatsioonikihiga. Superkondensaatori mahtuvus tegelikult suureneb, kui nende plaatide pindala suureneb ja nendevaheline kaugus väheneb. Pinna suurendamiseks on need praegu kaetud poorsete materjalidega, näiteks süsiniknanotorudega (nii pisikesed, et 10 miljardit neist mahub ühte ruutsentimeetrisse). Eraldaja võib olla ainult ühe molekuli paksune grafeenikihiga.

Erinevuse mõistmiseks on kõige parem mõelda elektrist kui veest. Lihtne kondensaator oleks siis nagu paberrätik, mis suudab imada piiratud koguses. Superkondensaator on näites köögikäsn.

5 patareid: plussid ja miinused

Akudel on üks oluline eelis – kõrge energiatihedus, mis võimaldab väikeses mahutis suhteliselt suuri energiakoguseid salvestada.

Siiski on neil ka palju puudusi – suur kaal, piiratud eluiga, aeglane laadimine ja suhteliselt aeglane energia vabanemine. Lisaks kasutatakse nende tootmiseks mürgiseid metalle ja muid ohtlikke aineid. Akud on tõhusad ainult kitsas temperatuurivahemikus, mistõttu tuleb neid sageli jahutada või soojendada, mis vähendab nende kõrget efektiivsust.

6 superkondensaatorit: plussid ja miinused

Superkondensaatorid on akudest palju kergemad, nende eluiga on võrreldamatult pikem, nad ei vaja mingeid ohtlikke aineid, nad laevad ja vabastavad energiat peaaegu koheselt. Kuna neil peaaegu puudub sisetakistus, ei kuluta nad toimimiseks energiat – nende kasutegur on 97-98%. Superkondensaatorid töötavad ilma oluliste kõrvalekalleteta kogu vahemikus -40 kuni +65 kraadi Celsiuse järgi.

Puuduseks on see, et need salvestavad oluliselt vähem energiat kui liitiumioonakud.

7 Uus sisu

Isegi kõige arenenumad kaasaegsed superkondensaatorid ei suuda elektrisõidukite akusid täielikult asendada. Kuid paljud teadlased ja eraettevõtted töötavad nende täiustamise nimel. Näiteks Suurbritannias töötab Superdielectrics materjaliga, mis on algselt välja töötatud kontaktläätsede tootmiseks.

Skeleton Technologies töötab grafeeniga, süsiniku allotroopse vormiga. Üks aatomi paksune kiht on 100 korda tugevam kui kõrgtugev teras ja kõigest 1 gramm sellest võib katta 2000 ruutmeetrit. Ettevõte paigaldas tavapärastesse diiselkaubikutesse grafeeni superkondensaatorid ja saavutas 32% kütusesäästu.

Hoolimata asjaolust, et superkondensaatorid ei saa patareisid täielikult asendada, on tänapäeval selle tehnoloogia areng positiivne trend.

Küsimused ja vastused:

Kuidas superkondensaator töötab? See töötab samamoodi nagu suure võimsusega kondensaator. Selles koguneb elekter elektrolüüdi polarisatsiooni ajal staatilise elektri tõttu. Kuigi tegemist on elektrokeemilise seadmega, ei toimu keemilist reaktsiooni.

Milleks on superkondensaator? Superkondensaatoreid kasutatakse energia salvestamiseks, mootorite käivitamiseks, hübriidsõidukites, lühiajalise voolu allikana.

Mille poolest erineb superkondensaator erinevat tüüpi akudest? Aku on keemilise reaktsiooni kaudu võimeline ise elektrit tootma. Superkondensaator kogub ainult vabanenud energiat.

Kus kasutatakse superkondensaatorit? Madala võimsusega kondensaatoreid kasutatakse välklampides (täielikult tühjendatud) ja kõigis süsteemides, mis nõuavad suurt hulka tühjenemis-/laadimistsükleid.