Bolehkah supercapacitors menggantikan bateri di dalam kereta elektrik?

Kereta elektrik dan hibrida bertekad kuat dalam pemikiran pengendara moden, sebagai pusingan baru dalam evolusi kenderaan. Sekiranya kita menganggap kereta ini dibandingkan dengan model yang dilengkapi dengan ICE, ia mempunyai kelebihan dan kekurangan.

Kelebihannya selalu merangkumi operasi yang tidak bersuara, serta ketiadaan pencemaran semasa perjalanan (walaupun hari ini pembuatan satu bateri untuk kereta elektrik mencemarkan persekitaran lebih daripada 30 tahun operasi mesin diesel tunggal).

Kelemahan utama kenderaan elektrik adalah keperluan mengecas bateri. Sehubungan dengan ini, pembuat kenderaan terkemuka sedang mengembangkan pilihan yang berbeza, seolah-olah untuk meningkatkan jangka hayat bateri dan meningkatkan selang antara cas. Salah satu pilihan tersebut ialah penggunaan supercapacitors.

Pertimbangkan teknologi ini menggunakan contoh industri kereta baru - Lamborghini Sian. Apakah kelebihan dan kekurangan pembangunan ini?

Baru di pasaran kereta elektrik

Apabila Lamborghini mula melancarkan kacukan, anda boleh yakin bahawa ia bukan hanya versi Toyota Prius yang lebih hebat.

Sian, debut syarikat Itali dalam bidang elektrifikasi, adalah kereta hibrid yang dihasilkan secara besar-besaran (sebanyak 63 salinan), di mana supercapacitors digunakan sebagai ganti bateri lithium-ion.

Ramai ahli fizik dan jurutera percaya bahawa ia adalah bateri lithium-ion, dan bukan bateri lithium-ion, yang merupakan kunci kepada pergerakan elektrik massa. Sian menggunakannya untuk menyimpan elektrik dan, jika perlu, membekalkannya ke motor elektriknya yang kecil.

Kelebihan supercapacitors

Berbanding dengan bateri paling moden, superkapasitor mengecas dan melepaskan tenaga dengan lebih pantas. Di samping itu, mereka dapat menahan kitaran pengisian dan pelepasan yang jauh lebih banyak tanpa kehilangan kapasiti.

Dalam kes Sian, supercapacitor menggerakkan motor elektrik 25 kilowatt, yang dipasang di kotak gear. Ia dapat memberikan peningkatan tambahan pada ICE 6,5 liter V12 dengan kapasitas 785 tenaga kuda, atau mengendarai kereta sport sendiri semasa manuver dengan kelajuan rendah, misalnya ketika meletak kenderaan.

Oleh kerana pengecasan sangat pantas, hibrid ini tidak perlu disambungkan ke stopkontak atau stesen pengecasan. Supercapacitors dicas sepenuhnya setiap kali kereta menjadi perlahan. Hibrid bateri juga mempunyai pemulihan tenaga brek, tetapi perlahan dan hanya sebahagiannya membantu memperpanjang jarak tempuh elektrik.

Supercapacitor mempunyai satu lagi kad truf yang sangat besar: berat. Dalam Lamborghini Sian, keseluruhan sistem—motor elektrik serta kapasitor—menambah hanya 34 kilogram kepada berat. Dalam kes ini, peningkatan kuasa ialah 33,5 kuasa kuda. Sebagai perbandingan, bateri Renault Zoe sahaja (dengan 136 kuasa kuda) mempunyai berat sekitar 400kg.

Kekurangan supercapacitors

Sudah tentu, supercapacitors juga mempunyai kelemahan berbanding dengan bateri. Dari masa ke masa, mereka mengumpul tenaga jauh lebih teruk - jika Sian tidak menunggang selama seminggu, tiada tenaga yang tersisa dalam kapasitor. Tetapi terdapat juga penyelesaian yang mungkin untuk masalah ini. Lamborghini bekerjasama dengan Institut Teknologi Massachusetts (MIT) untuk mencipta model elektrik semata-mata berdasarkan supercapacitors, konsep Terzo Millenio (Milenium Ketiga) yang terkenal.

bst

Ngomong-ngomong, Lamborghini, yang berada di bawah naungan Kumpulan Volkswagen, bukanlah satu-satunya syarikat yang bereksperimen dalam bidang ini. Model hibrid Peugeot telah menggunakan superkapasitor selama bertahun-tahun, begitu juga model sel bahan api hidrogen Toyota dan Honda. Pengeluar China dan Korea memasangnya di dalam bas dan trak elektrik. Dan tahun lepas, Tesla membeli Maxwell Electronics, salah satu pembuat supercapacitor terbesar di dunia, tanda pasti bahawa sekurang-kurangnya Elon Musk percaya pada masa depan teknologi itu.

7 fakta utama untuk memahami supercapacitors

1 Bagaimana bateri berfungsi

Teknologi bateri adalah salah satu perkara yang telah lama kita anggap remeh tanpa memikirkan cara ia berfungsi. Kebanyakan orang membayangkan bahawa apabila mengecas, kita hanya "menuangkan" elektrik ke dalam bateri, seperti air ke dalam gelas.

Tetapi bateri tidak menyimpan elektrik secara langsung, tetapi hanya menjananya apabila diperlukan oleh tindak balas kimia antara dua elektrod dan cecair (paling biasa) memisahkannya, dipanggil elektrolit. Dalam tindak balas ini, bahan kimia di dalamnya ditukar kepada yang lain. Semasa proses ini, elektrik dijana. Apabila ia ditukar sepenuhnya, tindak balas berhenti - bateri dinyahcas.

Walau bagaimanapun, dengan bateri boleh dicas semula, tindak balas juga boleh berlaku dalam arah yang bertentangan - apabila anda mengecasnya, tenaga memulakan proses terbalik, yang memulihkan bahan kimia asal. Ini mungkin berulang ratusan atau ribuan kali, tetapi tidak dapat tidak ada kerugian. Lama kelamaan, bahan parasit terkumpul pada elektrod, jadi hayat bateri adalah terhad (biasanya 3000 hingga 5000 kitaran).

2 Bagaimana kapasitor

Tidak ada tindak balas kimia dalam kapasitor. Cas positif dan negatif dihasilkan secara eksklusif oleh elektrik statik. Di dalam kapasitor terdapat dua plat logam konduktif yang dipisahkan oleh bahan penebat yang disebut dielektrik.

Mengecas sangat serupa dengan menggosok bola ke sweater wol sehingga melekat dengan elektrik statik. Caj positif dan negatif terkumpul di dalam piring, dan pemisah di antara mereka, yang menghalangnya daripada bersentuhan, sebenarnya adalah alat penyimpanan tenaga. Kapasitor boleh dicas dan dibebaskan walaupun sejuta kali tanpa kehilangan kapasiti.

3 Apa itu superkapasitor

Kapasitor konvensional terlalu kecil untuk menyimpan tenaga - biasanya diukur dalam mikrofarad (berjuta-juta farad). Inilah sebabnya mengapa supercapacitors dicipta pada tahun 1950-an. Dalam varian perindustrian terbesar mereka, yang dikeluarkan oleh syarikat seperti Maxwell Technologies, kapasiti mencapai beberapa ribu farad, iaitu, 10-20% daripada kapasiti bateri lithium-ion.

4 Bagaimana superkapasitor berfungsi

Tidak seperti kapasitor konvensional, tiada dielektrik. Sebaliknya, kedua-dua plat direndam dalam elektrolit dan dipisahkan oleh lapisan penebat yang sangat nipis. Kapasiti supercapacitor sebenarnya meningkat apabila luas plat ini meningkat dan jarak antara mereka berkurangan. Untuk menambah luas permukaan, ia kini disalut dengan bahan berliang seperti tiub nano karbon (sangat kecil sehingga 10 bilion daripadanya muat dalam satu cm persegi). Pemisah hanya boleh menjadi satu molekul tebal dengan lapisan graphene.

Untuk memahami perbezaannya, lebih baik membayangkan elektrik sebagai air. Kapasitor sederhana dalam kes ini akan kelihatan seperti tuala kertas, yang dapat menyerap jumlah yang terhad. Supercapacitor adalah sponge dapur dalam contohnya.

5 Bateri: Kelebihan dan Kekurangan

Bateri mempunyai satu kelebihan penting - ketumpatan tenaga yang tinggi, yang membolehkan mereka menyimpan jumlah tenaga yang agak besar dalam takungan kecil.

Walau bagaimanapun, mereka juga mempunyai banyak kelemahan - berat berat, hayat terhad, pengecasan perlahan dan pelepasan tenaga yang agak perlahan. Di samping itu, logam toksik dan bahan berbahaya lain digunakan untuk pengeluarannya. Bateri hanya cekap pada julat suhu yang sempit, jadi ia selalunya perlu disejukkan atau dipanaskan, mengurangkan kecekapan tingginya.

6 Supercapacitors: Kelebihan dan Kekurangan

Superkapasitor jauh lebih ringan daripada bateri, hayatnya jauh lebih lama, ia tidak memerlukan sebarang bahan berbahaya, ia mengecas dan membebaskan tenaga hampir serta-merta. Oleh kerana mereka hampir tidak mempunyai rintangan dalaman, mereka tidak menggunakan tenaga untuk berfungsi - kecekapan mereka adalah 97-98%. Superkapasitor beroperasi tanpa sisihan ketara dalam julat keseluruhan dari -40 hingga +65 darjah Celsius.

Kelemahannya ialah mereka menyimpan lebih sedikit tenaga daripada bateri lithium-ion.

7 Bahan baru

Bahkan superkapasitor moden yang paling maju tidak dapat mengganti bateri kenderaan elektrik sepenuhnya. Tetapi banyak saintis dan syarikat swasta berusaha untuk memperbaikinya. Sebagai contoh, di UK, Superdielectrics berfungsi dengan bahan yang pada asalnya dibuat untuk pembuatan kanta lekap.

Skeleton Technologies bekerja dengan graphene, bentuk alotropik karbon. Satu lapisan tebal satu atom adalah 100 kali lebih kuat daripada keluli berkekuatan tinggi, dan hanya 1 gram daripadanya boleh meliputi 2000 meter persegi. Syarikat itu memasang supercapacitor graphene dalam van diesel konvensional dan mencapai penjimatan bahan api sebanyak 32%.

Walaupun fakta bahawa supercapacitors masih tidak dapat mengganti bateri sepenuhnya, hari ini terdapat trend positif dalam pengembangan teknologi ini.

Soalan dan Jawapan:

Bagaimanakah supercapacitor berfungsi? Ia berfungsi dengan cara yang sama seperti kapasitor berkapasiti tinggi. Di dalamnya, elektrik terkumpul kerana statik semasa polarisasi elektrolit. Walaupun ia adalah peranti elektrokimia, tiada tindak balas kimia berlaku.

Untuk apa supercapacitor? Supercapacitors digunakan untuk menyimpan tenaga, menghidupkan motor, dalam kenderaan hibrid, sebagai sumber arus jangka pendek.

Bagaimanakah supercapacitor berbeza daripada pelbagai jenis bateri? Bateri mampu menjana elektrik dengan sendirinya melalui tindak balas kimia. Kapasitor super hanya mengumpul tenaga yang dibebaskan.

Di manakah Supercapacitor digunakan? Kapasitor kapasiti rendah digunakan dalam unit denyar (dinyahcas sepenuhnya) dan dalam mana-mana sistem yang memerlukan sejumlah besar kitaran nyahcas/cas.