Kunnen supercondensatoren batterijen in elektrische voertuigen vervangen?

Elektrische auto's en hybrides zijn stevig geworteld in de hoofden van de moderne automobilist als een nieuwe ronde in de evolutie van voertuigen. In vergelijking met modellen met ICE hebben deze voertuigen hun eigen voor- en nadelen.

De voordelen zijn altijd een stille werking, evenals de afwezigheid van vervuiling tijdens de rit (hoewel het maken van één batterij voor een elektrische auto het milieu meer dan 30 jaar gebruik van een enkele dieselmotor vervuilt).

Het grootste nadeel van elektrische voertuigen is de noodzaak om de batterij op te laden. In verband hiermee ontwikkelen toonaangevende autofabrikanten verschillende opties om de levensduur van de batterij te verlengen en het interval tussen oplaadbeurten te verlengen. Een van deze opties is het gebruik van supercondensatoren.

Beschouw deze technologie als voorbeeld van een nieuwe auto-industrie - Lamborghini Sian. Wat zijn de voor- en nadelen van deze ontwikkeling?

Nieuw op de markt voor elektrische voertuigen

Wanneer Lamborghini een hybride gaat uitrollen, kun je er zeker van zijn dat het niet zomaar een krachtigere versie van de Toyota Prius wordt.

Sian, het debuut van het Italiaanse elektrificatiebedrijf, is de eerste in productie genomen hybride auto (maar liefst 63 eenheden) die supercondensatoren gebruikt in plaats van lithium-ionbatterijen.

Veel natuurkundigen en ingenieurs geloven dat zij de sleutel in handen hebben tot massale elektrische mobiliteit, in plaats van lithium-ionbatterijen. Sian gebruikt deze om elektriciteit op te slaan en, indien nodig, naar zijn kleine elektromotor te leiden.

De voordelen van supercondensatoren

Supercondensatoren laden en geven energie veel sneller af dan de meeste moderne batterijen. Bovendien kunnen ze aanzienlijk meer laad- en ontlaadcycli doorstaan ​​zonder capaciteit te verliezen.

In het geval van Sian drijft de supercondensator een elektromotor van 25 kilowatt aan die in de versnellingsbak is ingebouwd. Hij kan ofwel een extra boost geven aan de 6,5 pk sterke 12-liter V785-verbrandingsmotor, of de sportwagen alleen besturen tijdens manoeuvres op lage snelheid, zoals parkeren.

Omdat het opladen erg snel gaat, hoeft deze hybride niet op een stopcontact of laadstation te worden aangesloten. Supercondensatoren worden elke keer dat het voertuig remt volledig opgeladen. Hybride batterijen hebben ook een energieherstel bij het remmen, maar het is traag en helpt slechts gedeeltelijk om het elektrische bereik te vergroten.

De supercondensator heeft nog een hele grote troefkaart: gewicht. Bij de Lamborghini Sian voegt het hele systeem – de elektromotor plus de condensator – slechts 34 kilogram toe aan het gewicht. In dit geval is de vermogenstoename 33,5 pk. Ter vergelijking: alleen de Renault Zoe-batterij (met 136 pk) weegt ongeveer 400 kg.

Nadelen van supercondensatoren

Natuurlijk hebben supercondensatoren ook nadelen ten opzichte van batterijen. Na verloop van tijd accumuleren ze energie veel erger - als Sian een week niet heeft gereden, is er geen energie meer in de condensator. Maar er zijn ook mogelijke oplossingen voor dit probleem. Lamborghini werkt samen met het Massachusetts Institute of Technology (MIT) aan een puur elektrisch model op basis van supercondensatoren, het beroemde Terzo Millenio-concept (derde millennium).

bst

Overigens is Lamborghini, dat onder auspiciën van de Volkswagen-groep valt, niet het enige bedrijf dat op dit gebied experimenteert. De hybride modellen van Peugeot gebruiken al jaren supercondensatoren, net als de waterstof-brandstofcelmodellen van Toyota en Honda. Chinese en Koreaanse fabrikanten installeren ze in elektrische bussen en vrachtwagens. En vorig jaar kocht Tesla Maxwell Electronics, een van 's werelds grootste makers van supercondensatoren, een zeker teken dat Elon Musk in ieder geval gelooft in de toekomst van de technologie.

7 belangrijke feiten voor het begrijpen van supercondensatoren

1 Hoe batterijen werken

Batterijtechnologie is een van de dingen die we al lang als vanzelfsprekend beschouwen zonder na te denken over hoe het werkt. De meeste mensen stellen zich voor dat we tijdens het opladen gewoon elektriciteit in de batterij "gieten", zoals water in een glas.

Maar een batterij slaat elektriciteit niet rechtstreeks op, maar genereert deze alleen wanneer dat nodig is door een chemische reactie tussen twee elektroden en een vloeistof (meestal) die ze scheidt, een elektrolyt genoemd. In deze reactie worden de chemicaliën erin omgezet in andere. Tijdens dit proces wordt elektriciteit opgewekt. Wanneer ze volledig zijn omgezet, stopt de reactie - de batterij is leeg.

Bij oplaadbare batterijen kan de reactie echter ook in de tegenovergestelde richting plaatsvinden - wanneer u deze oplaadt, start de energie het omgekeerde proces, waardoor de oorspronkelijke chemicaliën worden hersteld. Dit kan honderden of duizenden keren worden herhaald, maar er zijn onvermijdelijk verliezen. Na verloop van tijd hopen zich parasitaire stoffen op de elektroden op, waardoor de levensduur van de batterij beperkt is (doorgaans 3000 tot 5000 cycli).

2 Hoe condensatoren werken

In de condensor vinden geen chemische reacties plaats. Positieve en negatieve ladingen worden uitsluitend gegenereerd door statische elektriciteit. In de condensator bevinden zich twee geleidende metalen platen, gescheiden door een isolatiemateriaal dat een diëlektricum wordt genoemd.

Opladen lijkt veel op het wrijven van een bal in een wollen trui, zodat deze blijft plakken met statische elektriciteit. Positieve en negatieve ladingen hopen zich op in de platen, en de scheiding ertussen, die voorkomt dat ze in contact komen, is eigenlijk een manier om energie op te slaan. De condensator kan zelfs een miljoen keer worden opgeladen en ontladen zonder capaciteitsverlies.

3 Wat zijn supercondensatoren

Conventionele condensatoren zijn te klein om energie op te slaan - meestal gemeten in microfarads (miljoenen farads). Daarom werden in de jaren vijftig supercondensatoren uitgevonden. In hun grootste industriële varianten, vervaardigd door bedrijven als Maxwell Technologies, bereikt de capaciteit enkele duizenden farads, dat wil zeggen 1950-10% van de capaciteit van een lithium-ionbatterij.

4 Hoe supercondensatoren werken

In tegenstelling tot conventionele condensatoren is er geen diëlektricum. In plaats daarvan zijn de twee platen ondergedompeld in een elektrolyt en gescheiden door een zeer dunne isolatielaag. De capaciteit van een supercondensator neemt zelfs toe naarmate het oppervlak van deze platen groter wordt en de afstand ertussen kleiner wordt. Om het oppervlak te vergroten, zijn ze momenteel gecoat met poreuze materialen zoals koolstofnanobuisjes (zo klein dat er 10 miljard in één vierkante cm passen). De separator kan slechts één molecuul dik zijn met een laag grafeen.

Om het verschil te begrijpen, kunt u elektriciteit het beste zien als water. Een eenvoudige condensator zou dan als een papieren handdoek zijn die een beperkte hoeveelheid kan absorberen. De supercondensator is de keukenspons in het voorbeeld.

5 batterijen: voor- en nadelen

Batterijen hebben één belangrijk voordeel: een hoge energiedichtheid, waardoor ze relatief grote hoeveelheden energie in een klein reservoir kunnen opslaan.

Ze hebben echter ook veel nadelen: zwaar gewicht, beperkte levensduur, langzaam opladen en relatief langzame energieafgifte. Bovendien worden giftige metalen en andere gevaarlijke stoffen gebruikt voor de productie ervan. Batterijen zijn alleen efficiënt binnen een smal temperatuurbereik, dus ze moeten vaak worden gekoeld of verwarmd, waardoor hun hoge efficiëntie afneemt.

6 supercondensatoren: voors en tegens

Supercondensatoren zijn veel lichter dan batterijen, hun levensduur is onvergelijkbaar langer, ze hebben geen gevaarlijke stoffen nodig, ze laden op en geven vrijwel direct energie af. Omdat ze bijna geen interne weerstand hebben, verbruiken ze geen energie om te functioneren - hun efficiëntie is 97-98%. Supercondensatoren werken zonder noemenswaardige afwijkingen in het gehele bereik van -40 tot +65 graden Celsius.

Het nadeel is dat ze beduidend minder energie opslaan dan lithium-ionbatterijen.

7 Nieuwe inhoud

Zelfs de meest geavanceerde moderne supercondensatoren kunnen batterijen in elektrische voertuigen niet volledig vervangen. Maar veel wetenschappers en particuliere bedrijven werken eraan om ze te verbeteren. In het VK werkt Superdielectrics bijvoorbeeld met een materiaal dat oorspronkelijk is ontwikkeld voor de productie van contactlenzen.

Skeleton Technologies werkt met grafeen, een allotrope vorm van koolstof. Eén laag van één atoom dik is 100 keer sterker dan hoogwaardig staal, en slechts 1 gram ervan kan 2000 vierkante meter bedekken. Het bedrijf installeerde supercondensatoren van grafeen in conventionele dieselbusjes en realiseerde een brandstofbesparing van 32%.

Ondanks het feit dat supercondensatoren de batterij nog steeds niet volledig kunnen vervangen, is er vandaag een positieve trend in de ontwikkeling van deze technologie.

Vragen en antwoorden:

Hoe werkt een supercondensator? Het werkt op dezelfde manier als een condensator met hoge capaciteit. Daarin wordt elektriciteit geaccumuleerd als gevolg van statische elektriciteit tijdens de polarisatie van de elektrolyt. Hoewel het een elektrochemisch apparaat is, vindt er geen chemische reactie plaats.

Waar is een supercondensator voor? Supercondensatoren worden gebruikt voor energieopslag, startmotoren, in hybride voertuigen, als bronnen van kortstondige stroom.

Waarin verschilt een supercondensator van verschillende soorten batterijen? De batterij is in staat om zelf elektriciteit op te wekken door middel van een chemische reactie. De supercondensator accumuleert alleen de vrijgekomen energie.

Waar wordt de supercondensator gebruikt? Condensatoren met een lage capaciteit worden gebruikt in flitsers (volledig ontladen) en in elk systeem dat een groot aantal ontlaad-/oplaadcycli vereist.