Аккумуляторные батареи электромобилей

Развитие транспортных средств с электроприводом усилило внимание к аккумуляторным батареям. Но что особенно важно знать о многообразии типов аккумуляторных батарей для электромобилей, замене и утилизации АКБ? 

Типы аккумуляторных батарей для электромобилей

Распространение получили следующие типы АКБ:

1. Литий-ионные ( Li-Ion). Самый популярный вариант батарей для электромобилей. Огромный плюс – впечатляющее число циклов заряда/разряда батареи. У современных батарей он легко доходит до цифры 1500, а в некоторых отдельных случаях – до 7000.

В конце 80-х-90-х годах 20-го века батареи  Li-Ion имели марганцево-кобальтовую основу. Сейчас распространены  батареи лития и марганца и лития и никелькобальта.

Марганец, никелькобальт в сочетании с литием позволяют получить либо более высокую мощность, чем просто сплав лития и кобальта.


Максимально у современных батарей оптимизирован и порядок размещения элементов в блоке. 

Выпуск литий-ионных продуктов поставлен на широкий поток, и потребителю легко доступны стандартизированные типозамеры, а цена не «кусается».

При этом в распоряжении автовладельца – решение, которое впечатляет следующими характеристиками:

• высокой скоростью заряда/разряда,
• небольшими габаритами,
• высокой плотностью энергии.

Но есть у батарей такого типа и много проявлений «капризности». Характеристики очень сильно зависят от температуры. Перегрев чреват быстрым разрядом. А если при производстве батареи используется кобальт, она становится настоящей «головной болью» при утилизации.


2. Литий-серные. 

• Ученые давно утверждали, что теоретически литий-серные батареи существенно превосходят литий-ионные АКБ по показателю энергетической плотности.
• Но в широкое массовое производство долгое время такие батареи выпускать не спешили. Проблема – в скромном числе циклов заряда/разряда.
• Правда, на данный момент мы можем стать свидетелями кардинальных изменений. Компания Brighsun New Energy проводит промышленные испытания батарей для электрокаров, которые смогут поддержать электромобиль без подзарядки на 2000 км пути.

3. Литий-полимерные батареи.

У ряда батарей с литием «соседствуют» полимеры. Такая альтернатива пористому сепаратору  помогает батарее при одинаковом размере быть в два раза емче.

Время на зарядку требуется существенно меньше. Обеспечена наилучшая защита от перезарядов и электролитов.

Но количество зарядов/разрядов – существенно меньше нежели у литий-ионных АКБ.

Марганец дешевле кобальта, но срок его службы меньше. Если заменить части кобальта никелем и марганцем, то аккумулятор может получить либо более высокую мощность, либо большую энергетическую плотность. NCM (никелькобальт-марганец) остается восприимчивым к тепловому уходу, но меньше чем диоксид кобальта. 


3. Алюминий-ионные батареи. В теории алюминий-ионные АКБ – одни из самых дешёвых и при этом безопасных. Алюминий отлично зарекомендовал и как вещество, способное «добросовестно» передавать энергию. За раз литий способен выделять только один электрон, а алюминий три.

Но производство алюминий-ионных батарей для электрокаров – только на начальной стадии: на уровне исследований и отдельных, а не серийных авто. 


4. Металл-воздушные аккумуляторы. Анодом выступает один из металлов, упомянутых выше. Это может быть тот же алюминий литий. Также используется цинк. 

Плюсы металл-воздушных конструкций:

• Низкая стоимость.
• Не требуется традиционная подзарядка (она производится сменой «съеденного» металлического анода на новый).
• Высокий уровень компактности и небольшой вес.
• Простота утилизации. 

Минусы:

• Всего 50-60 циклов заряда/разряда.
• При низкой температуре существенно снижается производительность батареи. Для южных стран, –  это не проблема, для стран, где бывают минусовые температуры,  –  существенное ограничение.
• АКБ зависима от системы фильтрации.
• Быстрый выход из строя при образовании на поверхности плёнки из пероксида лития.
• Проблемы с хранением, металл-воздушный аккумулятор нельзя отключить и при хранении теряется до 80% заряда.

На данный момент металл-воздушные АКБ на электрокары ставят на некоторые модели электромобилей не как основные, а как дополнение к литий-ионным батареям. Это помогает увеличить пробег без подзарядки.     

Обслуживание аккумуляторных батарей электромобиля

Обслуживание АКБ – это регулярный контроль за рядом параметров:

• зарядкой и разрядкой батареи, 
• особенностями использования АКБ в зимний период,
• расчетом производительности,
• температурным режимом использования.

Многим кажется, что аккумуляторами «напичкана» сейчас любая техника, и с чем-чем, а с заменой аккумулятора точно проблем не будет. Но к электрокару это не относится. Чтобы замена прошла успешно, нужно чётко «просекать» в этом вопросе и к процедуре относиться не просто как к процедуре сродни «поменять батарейку в часах», а к установке ПО.



Установка любой аккумуляторной батареи электрокара обязана пройти согласование и регистрацию с помощью ПО.

Раньше при смене аккумулятора нужно было менять весь АКБ целиком, но современные модели батарей позволяют менять и блоками, то есть меняется только «битая» - вышедшая из строя ячейка.

Проверка батареи

Проверить АКБ электромобиля не простая процедура и провести ее в "домашних" условиях практически не возможно. В обязательном порядке необходимо иметь специализированное оборудование и выполнять процедуры в сервисных условиях. Специалист должен быть компетентным. Кроме того не забываем, что полное напряжение АКБ в электрокаре это не те наши привычные 12 или 24 вольта, а свыше 300 вольт! Поэтому к процедуре обслуживания и замены АКБ предъявляются высокие требования безопасности.

Замена и утилизация аккумуляторных батарей электромобиля

Аккумуляторы нуждаются в регулярном техобслуживании и периодической замене. Среднестатистическая батарея электрокара сейчас рассчитана примерно на 7 лет, но производители уверяют: более длительный срок эксплуатации АКБ – не за горами. Расходы таким образом удешевятся, а удары по окружающей среде уменьшатся.

Cейчас, когда электрокары по прежнему «белые вороны” среди общего потока транспортных средств, в СНГ ещё далеко не все задумываются об утилизации аккумуляторных батарей электромобиля.
А в Евросоюзе этой проблемой целенаправленно занимаются много лет. 

Ещё в 2006 году здесь была разработана «батарейная и аккумуляторная директива» ЕС под номером 2006/66/EG, существенно обновленная в 2008 и 2013 годах. Эта директива – существенный барьер против «искушения» нанести батареей вред воздуху, грунтовым водам.

А автостроительные компании Европы (и опять таки директива к этому «подстегивает») активно  занимаются рециклингом батарей. Большая работа в этом направлении делается, к примеру, концерном Volkswagen. Литий, никель, марганец, кобальт благодаря проекту концерна активно начинает использоваться повторно.

Огромную работу проводит и автогигант Audi. Из отработанных батарей «вытягивается» никель, кобальт и идёт для производстве новых батарей.

 

Производители и стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей

Одно из наиболее прогрессивно растущих в оборотах производителей  литий-ионных аккумуляторов  для электромобилей  - предприятие Panasonic в Неваде, которое сосредоточено на выпуске батарей для Tesla.

Лидер рынка батарей для электрокаров в наши дни – CATL (Contemporary Amperex Technology) в Китае. Аккумуляторы активно устанавливаются на автомобили BMW, Volvo, Volkswagen, Daimler.

Уверенно на рынке держится и китайская компания BYD. Одна из особенностей производства- активное внимание к сектору коммерческого электротранспорта.

Концерны Ford, Renault, Hyundai Motor активно сотрудничают с заводом LG Chem. Эти компании постоянно заказывают на заводе LG Chem АКБ.

На многих «корейцах», «китайцах» стоят и батареи Samsung SDI Samsung SDI. Аналитики склоняются к версии, что электромобили будут полноценными конкурентами транспорту с ДВС, когда стоимость аккумулятора в Европе снизится в среднем до $100 за 1 кВт ч.  По прогнозам это произойдет примерно к 2026 году.
 

Перспективы развития батарей

Перспективы развития транспорта связывают с активным переходом на графенполимерные батареи и их модификации.


Также большое будущее пророчат аккумуляторам, где литий идёт в тандеме с фосфатом железа. Автоматически решается вопрос с перегревом. Обеспечивается максимальная безопасность. Но есть проблемы с напряжением. Это тот краеугольный камень, из-за которого пока батареи с фосфатом железа не получили широкое повсеместное распространение в наши дни. Батарея должна быть многосекционная. Для грузовиков, автобусов – это не проблема, а для небольших электрокаров, когда важна максимальная компактность батареи, часто это проблема.