Czy superkondensatory mogą zastępować akumulatory w samochodach elektrycznych?

Samochody elektryczne i hybrydy są mocno zakorzenione w umysłach współczesnych kierowców, jako nowa runda w ewolucji pojazdów. Jeśli weźmiemy pod uwagę te samochody w porównaniu z modelami wyposażonymi w ICE, mają one swoje zalety i wady.

Zalety zawsze obejmują cichą pracę, a także brak zanieczyszczeń podczas jazdy (choć dziś produkcja jednego akumulatora do samochodu elektrycznego zanieczyszcza środowisko przez ponad 30 lat eksploatacji jednego silnika Diesla).

Główną wadą pojazdów elektrycznych jest konieczność ładowania akumulatora. W związku z tym wiodący producenci samochodów opracowują różne opcje, aby zwiększyć żywotność baterii i wydłużyć odstępy między ładowaniami. Jedną z takich opcji jest użycie superkondensatorów.

Traktuj tę technologię jako przykład nowej branży motoryzacyjnej - Lamborghini Sian. Jakie są zalety i wady tego rozwoju?

Nowość na rynku samochodów elektrycznych

Kiedy Lamborghini wypuszcza hybrydę, możesz być pewien, że nie będzie to tylko mocniejsza wersja Toyoty Prius.

Sian, debiut włoskiej firmy w dziedzinie elektryfikacji, to pierwszy seryjnie produkowany samochód hybrydowy (aż 63 egzemplarze), w którym zamiast akumulatorów litowo-jonowych stosowane są superkondensatory.

Wielu fizyków i inżynierów uważa, że ​​to w nich, a nie w akumulatorach litowo-jonowych, leży klucz do masowej mobilności elektrycznej. Sian używa takich zasobów do magazynowania energii elektrycznej i, w razie potrzeby, dostarczania jej do małego silnika elektrycznego.

Zalety superkondensatorów

W porównaniu do najnowocześniejszych akumulatorów superkondensatory ładują się i uwalniają energię znacznie szybciej. Ponadto mogą wytrzymać znacznie więcej cykli ładowania i rozładowania bez utraty pojemności.

W przypadku Sian superkondensator napędza silnik elektryczny o mocy 25 kW, który jest zintegrowany ze skrzynią biegów. Może albo zapewnić dodatkowy wzrost 6,5-litrowego silnika VCE ICE o mocy 12 koni mechanicznych, albo samodzielnie prowadzić samochód sportowy podczas manewrów z niską prędkością, na przykład podczas parkowania.

Ponieważ ładowanie jest bardzo szybkie, ta hybryda nie musi być podłączona do gniazdka elektrycznego ani stacji ładującej. Superkondensatory są w pełni naładowane za każdym razem, gdy samochód zwalnia. Hybrydy akumulatorowe również odzyskują energię hamowania, ale są powolne i tylko częściowo pomagają wydłużyć przebieg elektryczny.

Superkondensator ma jeszcze jeden bardzo duży atut: wagę. W Lamborghini Sian cały system – silnik elektryczny plus kondensator – dodaje tylko 34 kilogramy do wagi. W tym przypadku wzrost mocy wynosi 33,5 koni mechanicznych. Dla porównania sam akumulator Renault Zoe (o mocy 136 koni mechanicznych) waży około 400 kg.

Wady superkondensatorów

Oczywiście superkondensatory mają też wady w porównaniu z bateriami. Z biegiem czasu znacznie gorzej kumulują energię – jeśli Sian nie jeździł przez tydzień, w kondensatorze brakuje energii. Ale są też możliwe rozwiązania tego problemu. Lamborghini współpracuje z Massachusetts Institute of Technology (MIT) nad stworzeniem czysto elektrycznego modelu opartego na superkondensatorach, słynnej koncepcji Terzo Millenio (Trzeciego Tysiąclecia).

bst

Nawiasem mówiąc, Lamborghini, które jest pod auspicjami Grupy Volkswagen, nie jest jedyną firmą eksperymentującą w tej dziedzinie. Modele hybrydowe Peugeot od lat korzystają z superkondensatorów, podobnie jak modele wodorowych ogniw paliwowych Toyoty i Hondy. Chińscy i koreańscy producenci montują je w autobusach elektrycznych i ciężarówkach. W zeszłym roku Tesla kupił Maxwell Electronics, jednego z największych na świecie producentów superkondensatorów, co jest pewnym znakiem, że przynajmniej Elon Musk wierzy w przyszłość tej technologii.

7 kluczowych faktów dla zrozumienia superkondensatorów

1 Jak działają baterie

Technologia baterii jest jedną z rzeczy, które od dawna uważaliśmy za pewnik, nie zastanawiając się nad tym, jak to działa. Większość ludzi wyobraża sobie, że podczas ładowania po prostu „wlewamy” prąd do akumulatora, jak wodę do szklanki.

Ale bateria nie przechowuje energii elektrycznej bezpośrednio, ale generuje ją tylko w razie potrzeby w wyniku reakcji chemicznej między dwiema elektrodami i płynem (najczęściej) je oddzielającym, zwanym elektrolitem. W tej reakcji zawarte w nim chemikalia są przekształcane w inne. Podczas tego procesu wytwarzana jest energia elektryczna. Kiedy zostaną całkowicie przekonwertowane, reakcja ustaje - bateria jest rozładowana.

Jednak w przypadku akumulatorów reakcja może zachodzić również w odwrotnym kierunku – podczas ładowania energia rozpoczyna proces odwrotny, który przywraca pierwotną chemię. Można to powtarzać setki lub tysiące razy, ale nieuchronnie są straty. Z biegiem czasu na elektrodach gromadzą się substancje pasożytnicze, więc żywotność baterii jest ograniczona (zwykle 3000 do 5000 cykli).

2 Jak kondensatory

W kondensatorze nie zachodzą żadne reakcje chemiczne. Ładunki dodatnie i ujemne są wytwarzane wyłącznie przez elektryczność statyczną. Wewnątrz kondensatora znajdują się dwie przewodzące metalowe płytki oddzielone materiałem izolacyjnym zwanym dielektrykiem.

Ładowanie jest bardzo podobne do wcierania piłki w wełniany sweter, aby przylgnął do niego ładunek elektrostatyczny. Ładunki dodatnie i ujemne gromadzą się w płytach, a separator między nimi, który zapobiega ich kontaktowi, jest w rzeczywistości środkiem do magazynowania energii. Kondensator można ładować i rozładowywać nawet milion razy bez utraty pojemności.

3 Czym są superkondensatory

Konwencjonalne kondensatory są zbyt małe, aby przechowywać energię – zwykle mierzoną w mikrofaradach (miliony faradów). Dlatego w latach pięćdziesiątych wynaleziono superkondensatory. W ich największych przemysłowych wariantach, produkowanych przez firmy takie jak Maxwell Technologies, pojemność sięga kilku tysięcy faradów, czyli 1950-10% pojemności baterii litowo-jonowej.

4 Jak działają superkondensatory

W przeciwieństwie do konwencjonalnych kondensatorów, nie ma dielektryka. Zamiast tego dwie płytki są zanurzone w elektrolicie i oddzielone bardzo cienką warstwą izolacyjną. Pojemność superkondensatora faktycznie wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni tych płytek i zmniejszaniem się odległości między nimi. Aby zwiększyć powierzchnię, są one obecnie powlekane porowatymi materiałami, takimi jak nanorurki węglowe (tak małe, że 10 miliardów z nich mieści się na jednym cm kwadratowym). Separatorem może być tylko jedna cząsteczka z warstwą grafenu.

Aby zrozumieć różnicę, najlepiej wyobrazić sobie elektryczność jako wodę. Prosty kondensator w tym przypadku będzie wyglądał jak ręcznik papierowy, który może wchłonąć ograniczoną ilość. W tym przykładzie superkondensator to gąbka kuchenna.

5 baterii: zalety i wady

Akumulatory mają jedną istotną zaletę - dużą gęstość energii, co pozwala im magazynować stosunkowo duże ilości energii w niewielkim zbiorniku.

Jednak mają też wiele wad - duża waga, ograniczona żywotność, powolne ładowanie i stosunkowo powolne uwalnianie energii. Ponadto do ich produkcji wykorzystywane są toksyczne metale i inne niebezpieczne substancje. Akumulatory są wydajne tylko w wąskim zakresie temperatur, dlatego często wymagają chłodzenia lub podgrzewania, co zmniejsza ich wysoką wydajność.

6 Superkondensatory: zalety i wady

Superkondensatory są dużo lżejsze od akumulatorów, ich żywotność jest nieporównywalnie dłuższa, nie wymagają stosowania żadnych niebezpiecznych substancji, ładują się i uwalniają energię niemal natychmiast. Ponieważ nie mają prawie żadnego oporu wewnętrznego, nie zużywają energii do funkcjonowania - ich sprawność wynosi 97-98%. Superkondensatory działają bez znacznych odchyleń w całym zakresie od -40 do +65 stopni Celsjusza.

Wadą jest to, że przechowują znacznie mniej energii niż akumulatory litowo-jonowe.

7 nowych materiałów

Nawet najbardziej zaawansowane nowoczesne superkondensatory nie są w stanie całkowicie wymienić akumulatorów w pojazdach elektrycznych. Ale wielu naukowców i prywatne firmy pracują nad ich ulepszeniem. Na przykład w Wielkiej Brytanii Superdielectrics działa z materiałami pierwotnie stworzonymi do produkcji soczewek kontaktowych.

Skeleton Technologies pracuje z grafenem, alotropową formą węgla. Jedna warstwa o grubości jednego atomu jest 100 razy mocniejsza niż stal o wysokiej wytrzymałości, a zaledwie 1 gram może pokryć 2000 metrów kwadratowych. Firma zainstalowała superkondensatory grafenowe w konwencjonalnych samochodach dostawczych z silnikiem Diesla i osiągnęła 32% oszczędności paliwa.

Pomimo faktu, że superkondensatory wciąż nie mogą całkowicie wymienić baterii, dziś istnieje pozytywny trend w rozwoju tej technologii.

Pytania i odpowiedzi:

Jak działa superkondensator? Działa tak samo jak kondensator o dużej pojemności. W nim gromadzona jest energia elektryczna z powodu elektryczności statycznej podczas polaryzacji elektrolitu. Chociaż jest to urządzenie elektrochemiczne, nie zachodzi żadna reakcja chemiczna.

Do czego służy superkondensator? Superkondensatory są wykorzystywane do magazynowania energii, rozruchu silników w pojazdach hybrydowych, jako źródła prądu krótkotrwałego.

Czym różni się superkondensator od różnych typów baterii? Akumulator jest w stanie samodzielnie wytwarzać energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. Superkondensator akumuluje tylko uwolnioną energię.

Gdzie jest używany superkondensator? Kondensatory o małej pojemności są stosowane w lampach błyskowych (całkowicie rozładowanych) oraz w każdym systemie, który wymaga dużej liczby cykli rozładowania/ładowania.