Могут ли суперконденсаторы заменить батареи в электромобилях?

Электромобили и гибриды прочно укореняются в сознании современного автомобилиста, как новый виток в эволюции транспортных средств. Если рассматривать эти автомобили в сравнении с моделями, оснащенными ДВС, они имеют свои преимущества и недостатки.

К преимуществам всегда относится бесшумность работы, а также отсутствие загрязнения в процессе езды (хотя на сегодняшний день изготовление одной батареи для электромобиля сильнее загрязняет окружающую среду, чем 30 лет работы одного дизельного двигателя).

К самому главному недостатку электромобилей относят необходимость в зарядке батареи. В вязи с этим ведущие автопроизводители разрабатывают разные варианты, как бы увеличить продолжительность ресурса АКБ и увеличить интервал между зарядками. Один из таких вариантов – использование суперконденсаторов.

Рассмотрим данную технологию на примере новинки автопрома – Lamborghini Sian. В чем преимущества и недостатки этой разработки?

Новинка на рынке электромобилей

Когда Lamborghini начинает выпускать гибрид, вы можете быть уверены, что это будет не просто более мощная версия Toyota Prius.

Sian, дебют итальянской компании в области электрификации, является первым серийным гибридным автомобилем (целых 63 экземпляра), в котором вместо литий-ионных батарей используются суперконденсаторы.

Многие физики и инженеры считают, что именно в них, а не в литий-ионных батареях, лежит ключ к массовой электрической мобильности. Sian использует такие для хранения электричества и, при необходимости, подачи его на свой небольшой электродвигатель.

Достоинства суперконденсаторов

По сравнению с самыми современными батареями суперконденсаторы заряжаются и выделяют энергию намного быстрее. Кроме того, они могут выдерживать значительно больше циклов зарядки и разрядки без потери емкости.

В случае с Sian суперконденсатор приводит в действие электродвигатель мощностью 25 киловатт, который встроен в коробку передач. Он может либо обеспечить дополнительный прирост 6,5-литрового V12 ДВС мощностью 785 лошадиных сил, либо управлять спортивным автомобилем самостоятельно во время маневров на низкой скорости, например, при парковке.

Поскольку зарядка очень быстрая, этот гибрид не нужно подключать к сетевой розетке или зарядной станции. Суперконденсаторы заряжаются полностью каждый раз, когда автомобиль тормозит. Аккумуляторные гибриды также имеют рекуперацию тормозной энергии, но она медленная и лишь частично помогает продлить электрический пробег.

У суперконденсатора есть еще один очень большой козырь: вес. В Lamborghini Sian вся система – электродвигатель плюс конденсатор – прибавляет в весе всего на 34 килограмма. При этом прирост мощности составляет 33,5 лошадиных силы. Для сравнения, только батарея Renault Zoe (с 136 лошадиными силами) весит около 400 кг.

Недостатки суперконденсаторов

Конечно, суперконденсаторы также имеют недостатки по сравнению с аккумуляторами. Со временем они накапливают энергию намного хуже – если Сиан не ездил неделю, в конденсаторе не остается энергии. Но есть и возможные решения этой проблемы. Lamborghini работает с Массачусетским технологическим институтом (MIT) над созданием чисто электрической модели на основе суперконденсаторов – знаменитой концепции Terzo Millenio (Third Millennium).

bst

Кстати, Lamborghini, которая находится под эгидой Volkswagen Group, не единственная компания, экспериментирующая в этой области. Гибридные модели Peugeot уже много лет используют суперконденсаторы, как и модели водородных топливных элементов Toyota и Honda. Китайские и корейские производители устанавливают их в электрические автобусы и грузовики. А в прошлом году Tesla купила Maxwell Electronics, одного из крупнейших в мире производителей суперконденсаторов – верный признак того, что, по крайней мере, Илон Маск верит в будущее этой технологии.

7 ключевых фактов для понимания суперконденсаторов

1 Как работают батареи

Аккумуляторная технология – это одна из вещей, которую мы давно принимаем как должное, не задумываясь о том, как она работает. Большинство людей представляют, что при зарядке мы просто «наливаем» электричество в аккумулятор, как воду в стакан.

Но батарея не накапливает электричество напрямую, а только вырабатывает его, когда это необходимо, путем химической реакции между двумя электродами и разделяющей их жидкостью (чаще всего), называемой электролитом. В этой реакции химические вещества в нем превращаются в другие. Во время данного процесса вырабатывается электричество. Когда они полностью преобразуются, реакция прекращается – батарея разряжена.

Однако с аккумуляторными батареями реакция также может происходить в противоположном направлении – когда вы заряжаете ее, энергия запускает обратный процесс, который восстанавливает исходные химические вещества. Это может повторяться сотни или тысячи раз, но при этом неизбежно возникают потери. Со временем на электродах накапливаются паразитные вещества, поэтому срок службы батареи ограничен (обычно от 3000 до 5000 циклов).

2 Как работают конденсаторы

В конденсаторе не происходит химических реакций. Положительный и отрицательный заряд производятся исключительно статическим электричеством. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины, разделенные изолирующим материалом, который называется диэлектриком.

Зарядка очень похожа на процесс втирания шарика в шерстяной свитер, чтобы он прилип при помощи статического электричества. Положительные и отрицательные заряды накапливаются в пластинах, и разделитель между ними, который не позволяет им вступать в контакт, фактически является средством накопления энергии. Конденсатор можно заряжать и разряжать даже миллион раз без потери емкости.

3 Что такое суперконденсаторы

Обычные конденсаторы слишком малы для хранения энергии – обычно измеряются в микрофарадах (миллионах фарадов). Вот почему в 1950-х годах были изобретены суперконденсаторы. В их крупнейших промышленных вариантах, выпускаемых такими компаниями, как Maxwell Technologies, емкость достигает нескольких тысяч фарад, то есть 10-20% емкости литий-ионного аккумулятора.

4 Как работают суперконденсаторы

В отличие от обычных конденсаторов, здесь нет диэлектрика. Вместо этого две пластины погружены в электролит и разделены очень тонким изолирующим слоем. Емкость суперконденсатора фактически увеличивается с увеличением площади этих пластин и уменьшением расстояния между ними. Чтобы увеличить поверхность, в настоящее время они покрыты пористыми материалами – например, углеродными нанотрубками (настолько миниатюрными, что 10 миллиардов из них помещаются в одном квадратном см). Сепаратор может иметь толщину только одну молекулу со слоем графена.

Чтобы понять разницу, лучше всего представить электричество как воду. Простой конденсатор в этом случае будет похож на бумажную салфетку, которая может поглощать ограниченное количество. Суперконденсатор это кухонная губка в примере.

5 Аккумуляторы: плюсы и минусы

Батареи имеют одно существенное преимущество – высокую плотность энергии, которая позволяет им хранить относительно большие объемы энергии в небольшом резервуаре.

Однако у них также есть много недостатков – большой вес, ограниченный срок службы, медленная зарядка и относительно медленное выделение энергии. Кроме того, для их производства используются токсичные металлы и другие опасные вещества. Батареи эффективны только в узком температурном диапазоне, поэтому их часто необходимо охлаждать или нагревать, что снижает их высокую эффективность.

6 Суперконденсаторы: плюсы и минусы

Суперконденсаторы значительно легче батарей, их жизнь несравненно длиннее, они не требуют каких-либо опасных веществ, заряжаются и отдают энергию практически мгновенно. Поскольку они почти не имеют внутреннего сопротивления, они не расходуют энергию на функционирование – их эффективность составляет 97-98%. Суперконденсаторы работают без существенных отклонений во всем диапазоне от -40 до +65 градусов Цельсия.

Недостатком является то, что они хранят значительно меньше энергии, чем литий-ионные аккумуляторы.

7 Новые материалы

Даже самые передовые современные суперконденсаторы не могут полностью заменить батареи в электромобилях. Но многие ученые и частные компании работают над их улучшением. Например, в Великобритании Superdielectrics работает с материалом, изначально созданным для производства контактных линз.

Skeleton Technologies работает с графеном – аллотропной формой углерода. Один слой толщиной в один атом в 100 раз прочнее высокопрочной стали, а всего лишь 1 грамм его может покрыть 2000 квадратных метров. Компания установила графеновые суперконденсаторы в обычных дизельных фургонах и достигла 32% экономии топлива.

Несмотря на то, что суперконденсаторы еще не могут полностью заменить АКБ, на сегодняшний день наблюдается положительная тенденция в развитии данной технологии.

Вопросы и ответы:

Как работает суперконденсатор? Он работает так же, как и высокоемкий конденсатор. В нем электричество накапливается за счет статики во время поляризации электролита. Хотя это электрохимическое устройство, в нем не происходит химическая реакция.

Для чего нужен суперконденсатор? Суперконденсаторы используются для накопления энергии, запуска моторов, в гибридных транспортных средствах, как источники кратковременного тока.

Чем суперконденсатор отличается от аккумуляторов различных типов? Аккумулятор способен сам вырабатывать электричество за счет химической реакции. Суперконденсатор лишь накапливает высвобождающуюся энергию.

Где используется Ионистор? Малоемкие конденсаторы используются в фотовспышках (разряжается полностью) и в любых системах, в которых требуется большое количество циклов разряда/заряда.