Ar superkondensatoriai gali pakeisti elektrinių transporto priemonių baterijas?

Elektromobiliai ir hibridai yra tvirtai įsišakniję šiuolaikinio vairuotojo mintyse kaip naujas transporto priemonių evoliucijos etapas. Lyginant su ICE įrengtais modeliais, šios transporto priemonės turi savų privalumų ir trūkumų.

Privalumai visada apima tylų veikimą, taip pat tai, kad nėra taršos važiuojant (nors šiandien, gaminant vieną akumuliatorių elektromobiliui, teršiama aplinka daugiau nei 30 metų naudojant vieną dyzelinį variklį).

Pagrindinis elektrinių transporto priemonių trūkumas yra būtinybė įkrauti akumuliatorių. Ryšium su tuo pirmaujantys automobilių gamintojai kuria įvairias galimybes, kaip padidinti akumuliatoriaus tarnavimo laiką ir padidinti intervalą tarp įkrovimų. Viena iš šių galimybių yra superkondensatorių naudojimas.

Apsvarstykite šią technologiją naudodamiesi naujos automobilių pramonės pavyzdžiu - „Lamborghini Sian“. Kokie yra šio vystymosi pranašumai ir trūkumai?

Naujiena elektromobilių rinkoje

Kai „Lamborghini“ pradės gaminti hibridą, galite būti tikri, kad tai nebus tik galingesnė „Toyota Prius“ versija.

Italijos elektrifikacijos bendrovės debiutas „Sian“ yra pirmasis hibridinis automobilis (milžiniškas 63), kuriame vietoj ličio jonų akumuliatorių naudojami superkondensatoriai.

Daugelis fizikų ir inžinierių mano, kad jie turi masinio elektrinio judumo raktą, o ne ličio jonų baterijas. Sianas juos naudoja elektros energijai kaupti ir, jei reikia, tiekia ją savo mažam elektros varikliui.

Superkondensatorių privalumai

Superkondensatoriai energiją krauna ir išleidžia daug greičiau nei dauguma šiuolaikinių akumuliatorių. Be to, jie gali atlaikyti žymiai daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų, neprarasdami pajėgumų.

„Sian“ atveju superkondensatorius varo 25 kilovatų elektros variklį, įmontuotą į pavarų dėžę. Tai gali suteikti papildomą impulsą 6,5 arklio galių 12 litro V785 vidaus degimo varikliui arba savarankiškai vairuoti sportinį automobilį mažo greičio manevrų, tokių kaip automobilių stovėjimo, metu.

Kadangi įkrovimas yra labai greitas, šio hibrido nereikia prijungti prie sieninio lizdo ar įkrovimo stoties. Superkondensatoriai yra visiškai įkraunami kiekvieną kartą, kai transporto priemonė stabdo. Akumuliatorių hibridai taip pat gali atgauti stabdžių energiją, tačiau jie yra lėti ir tik iš dalies padeda išplėsti elektrinį diapazoną.

Superkondensatorius turi dar vieną labai didelį kozirį – svorį. „Lamborghini Sian“ visa sistema – elektros variklis ir kondensatorius – prie svorio prideda tik 34 kilogramus. Šiuo atveju galios padidėjimas yra 33,5 arklio galių. Palyginimui, vien Renault Zoe akumuliatorius (136 arklio galių) sveria apie 400 kg.

Superkondensatorių trūkumai

Žinoma, superkondensatoriai turi ir trūkumų, lyginant su baterijomis. Laikui bėgant jie daug prasčiau kaupia energiją – jei Sianas savaitę nevažinėjo, kondensatoriuje energijos nebelieka. Tačiau yra ir galimų šios problemos sprendimų. „Lamborghini“ bendradarbiauja su Masačusetso technologijos institutu (MIT), kad sukurtų grynai elektrinį modelį, pagrįstą superkondensatoriais – garsiąja Terzo Millenio (Trečiojo tūkstantmečio) koncepcija.

bst

Beje, „Volkswagen Group“ globojama „Lamborghini“ nėra vienintelė įmonė, eksperimentuojanti šioje srityje. Peugeot hibridiniai modeliai jau daugelį metų naudoja superkondensatorius, kaip ir Toyota bei Honda vandenilio kuro elementų modeliai. Kinijos ir Korėjos gamintojai juos montuoja į elektrinius autobusus ir sunkvežimius. O pernai „Tesla“ įsigijo „Maxwell Electronics“, vieną didžiausių pasaulyje superkondensatorių gamintojų, – tai yra tikras ženklas, kad bent jau Elonas Muskas tiki šios technologijos ateitimi.

7 pagrindiniai superkondensatorių supratimo faktai

1 Kaip veikia baterijos

Akumuliatoriaus technologija yra vienas iš dalykų, kuriuos ilgai laikome savaime suprantamu dalyku, negalvodami apie tai, kaip ji veikia. Dauguma įsivaizduoja, kad kraunant mes tiesiog „pilame“ elektrą į akumuliatorių, kaip vandenį į stiklinę.

Tačiau akumuliatorius tiesiogiai nekaupia elektros energijos, o tik tada, kai reikia, generuoja, vykstant cheminei reakcijai tarp dviejų elektrodų ir juos skiriančio skysčio (dažniausiai), vadinamo elektrolitu. Šios reakcijos metu joje esančios cheminės medžiagos virsta kitomis. Šio proceso metu generuojama elektros energija. Kai jie visiškai paverčiami, reakcija sustoja – baterija išsikrauna.

Tačiau su įkraunamomis baterijomis reakcija gali vykti ir priešinga kryptimi – įkrovus energija pradeda atvirkštinį procesą, kuris atkuria pirmines chemines medžiagas. Tai gali kartotis šimtus ar tūkstančius kartų, bet neišvengiamai patiriami nuostoliai. Laikui bėgant ant elektrodų kaupiasi parazitinės medžiagos, todėl baterijos veikimo laikas yra ribotas (paprastai 3000–5000 ciklų).

2 Kaip veikia kondensatoriai

Kondensatoriuje nevyksta jokios cheminės reakcijos. Teigiamus ir neigiamus krūvius sukuria tik statinė elektra. Kondensatoriaus viduje yra dvi laidžios metalinės plokštės, atskirtos izoliacine medžiaga, vadinama dielektriku.

Įkrovimas labai panašus į kamuolio įtrynimą į vilnonį megztinį, kad jis priliptų nuo statinės elektros. Plokštėse kaupiasi teigiami ir neigiami krūviai, o separatorius tarp jų, neleidžiantis jiems liestis, iš tikrųjų yra energijos kaupimo priemonė. Kondensatorius gali būti įkrautas ir iškrautas net milijoną kartų, neprarandant talpos.

3 Kas yra superkondensatoriai

Įprasti kondensatoriai yra per maži energijai kaupti – paprastai matuojami mikrofaradais (milijonais faradų). Štai kodėl šeštajame dešimtmetyje buvo išrasti superkondensatoriai. Didžiausiuose pramoniniuose variantuose, kuriuos gamina tokios įmonės kaip Maxwell Technologies, talpa siekia kelis tūkstančius faradų, tai yra 1950-10% ličio jonų akumuliatoriaus talpos.

4 Kaip veikia superkondensatoriai

Skirtingai nuo įprastų kondensatorių, jame nėra dielektriko. Vietoj to, dvi plokštės yra panardintos į elektrolitą ir atskirtos labai plonu izoliaciniu sluoksniu. Didėjant šių plokščių plotui ir mažėjant atstumui tarp jų, superkondensatoriaus talpa iš tikrųjų didėja. Siekiant padidinti paviršiaus plotą, šiuo metu jie yra padengti poringomis medžiagomis, tokiomis kaip anglies nanovamzdeliai (tokie maži, kad 10 milijardų jų telpa viename kvadratiniame cm). Atskyriklis gali būti tik vienos molekulės storio su grafeno sluoksniu.

Norint suprasti skirtumą, geriausia galvoti apie elektrą kaip apie vandenį. Tada paprastas kondensatorius būtų kaip popierinis rankšluostis, kuris gali sugerti ribotą kiekį. Superkondensatorius yra pavyzdžio virtuvės kempinė.

5 baterijos: už ir prieš

Baterijos turi vieną reikšmingą privalumą – didelį energijos tankį, leidžiantį nedideliame rezervuare sukaupti palyginti didelius energijos kiekius.

Tačiau jie turi ir daug trūkumų – didelį svorį, ribotą tarnavimo laiką, lėtą įkrovimą ir gana lėtą energijos išsiskyrimą. Be to, jų gamybai naudojami nuodingi metalai ir kitos pavojingos medžiagos. Baterijos efektyvios tik siaurame temperatūrų diapazone, todėl jas dažnai reikia vėsinti arba šildyti, o tai sumažina jų aukštą efektyvumą.

6 superkondensatoriai: už ir prieš

Superkondensatoriai yra daug lengvesni už baterijas, nepalyginamai ilgesnis tarnavimo laikas, jiems nereikia jokių pavojingų medžiagų, jie įkrauna ir išskiria energiją beveik akimirksniu. Kadangi jie beveik neturi vidinio pasipriešinimo, jie nenaudoja energijos, kad galėtų veikti – jų efektyvumas siekia 97-98%. Superkondensatoriai veikia be didelių nukrypimų visame diapazone nuo -40 iki +65 laipsnių Celsijaus.

Trūkumas yra tas, kad jie kaupia žymiai mažiau energijos nei ličio jonų baterijos.

7 Naujas turinys

Net patys pažangiausi šiuolaikiniai superkondensatoriai negali visiškai pakeisti baterijų elektrinėse transporto priemonėse. Tačiau daugelis mokslininkų ir privačių kompanijų stengiasi jas tobulinti. Pavyzdžiui, JK „Superdielectrics“ dirba su medžiaga, kuri iš pradžių buvo sukurta kontaktiniams lęšiams gaminti.

Skeleton Technologies dirba su grafenu, alotropine anglies forma. Vienas vieno atomo storio sluoksnis yra 100 kartų stipresnis už didelio stiprumo plieną, o vos 1 gramas jo gali padengti 2000 kvadratinių metrų. Bendrovė įprastuose dyzeliniuose furgonuose sumontavo grafeninius superkondensatorius ir sutaupė 32 % degalų.

Nepaisant to, kad superkondensatoriai negali visiškai pakeisti baterijų, šiandien šios technologijos plėtra yra teigiama.

Klausimai ir atsakymai:

Kaip veikia superkondensatorius? Jis veikia taip pat, kaip ir didelės talpos kondensatorius. Jame dėl statinės elektros kaupiasi elektrolito poliarizacijos metu. Nors tai elektrocheminis prietaisas, jokia cheminė reakcija nevyksta.

Kam skirtas superkondensatorius? Superkondensatoriai naudojami energijos kaupimui, variklių užvedimui, hibridinėse transporto priemonėse, kaip trumpalaikės srovės šaltiniai.

Kuo superkondensatorius skiriasi nuo įvairių tipų baterijų? Akumuliatorius gali pats generuoti elektros energiją cheminės reakcijos metu. Superkondensatorius tik kaupia išleistą energiją.

Kur naudojamas superkondensatorius? Mažos talpos kondensatoriai naudojami blykstėse (visiškai išsikrovę) ir bet kurioje sistemoje, kuriai reikia daug iškrovimo / įkrovimo ciklų.