Trakční baterie – vlastnosti, principy činnosti a implikace pro elektromobily a průmysl

Semenov, O. A. Současná trakční baterie elektromobilů je škodlivá pro budoucnost / O. A. Semenov. — Text: přímý // Mladý vědec. — 2020. — Č. 45 (335). — S. 222-223. — URL: https://moluch.ru/archive/335/74790/ (datum přístupu: 29.12.2024. XNUMX. XNUMX).

Tento článek zkoumá princip výroby bateriových instalací pro elektrická vozidla a jejich neocenitelné škody způsobené přírodě okolního světa. Zvažují se i prognózy vlivu elektromobilů z hlediska výroby na životní prostředí.

Klíčová slova: ekologie, elektromobily, výroba, elektrotechnika, strojírenství, automobilový průmysl, ekonomika výroby

Každým rokem roste počet lidí, kteří nakupují a používají elektromobily ve jménu ekologie pod heslem „Šetřete přírodu!“. Po těchto autech je určitá poptávka, tedy nabídka, což znamená, že automobilky zvyšují počet modelů elektromobilů a tím i jejich výrobu. Dělá ale absence spalovacího motoru a potažmo výfukových plynů elektromobil šetrný k životnímu prostředí? Je elektromobil nezbytný a ve kterých zemích nebude úplná integrace elektromobilů možná? Tento článek prozkoumá strukturu a design elektromobilu a také odhalí nedostatky dnešního elektromobilu a problémy spojené s výrobou těchto stejných vozů.

O výhodách, pohodlí a úsporách používání elektromobilu, které zná každý, bylo řečeno mnoho. Efektivita nákladů a šetrnost k životnímu prostředí byly přesvědčivými důvody pro koupi a také dobrou příležitostí pro obchodníky v obřích společnostech inzerovat elektromobil.

Je jasné, že nyní si konkuruje výroba elektromobilů a auta, která známe s tepelnými motory. Myšlenka elektrického pohonu ale existovala na začátku 20. století, kdy známější auta přestala být něčím výjimečným a začala být žádaná mezi dělnickou třídou a takříkajíc průměrnými výdělky.

Neexistuje žádný přímý a jednotný úsudek o jakémkoli zařízení, zařízení, stroji, zařízení nebo věci obecně. Tvrzení, že více lidí nyní a v dnešních podmínkách zvolí auto se spalovacím motorem, je konstatováním faktů. Celé toto vyspělé výrobní odvětví proto potřebuje střízlivé posouzení.

Co je základem každého elektromobilu? Obrovská trakční baterie, která je komplexem ještě menších baterií chemického proudového působení. Nejoblíbenějším typem baterie pro elektromobily je olověná baterie. Jaké jsou nevýhody těchto baterií? Za prvé je tu otázka bezpečnosti. Díky simulaci různých situací na silnici, jako jsou mimořádné události nebo dopravní nehody, nebudou všechny služby schopny provádět nejen správnou údržbu, ale také bezpečné opravy, které zahrnují práci s obrovským množstvím energie uložené v bateriích. A úplná spolehlivost procesu dodávky energie dosud nebyla odhalena. Za druhé, samotná výroba těchto baterií není vůbec ekologická.

Výroba trakčních baterií zahrnuje řadu operací a někteří tvrdí, že výroba jedné takové baterie vyžaduje 1000 litrů spáleného paliva.

Materiály těžebních baterií, jako je lithium, dysprosium, neodym, lanthan a praseodym, způsobují značné škody na životním prostředí. Moderní technologie sice poskytují výrobcům možnost používat chemické prvky v menším poměru oproti starým trakčním bateriím pro elektromobily, ale nelze jejich používání zcela opustit.

Recyklace baterií je něco, na co celé lidstvo čeká, dříve nebo později to přijde, neboť dojde k všeobecnému boomu obliby elektromobilů. Existují způsoby, jak baterie recyklovat, ale je jich velmi málo a společností zabývajících se takovou činností je poměrně dost. Lidstvo musí být připraveno na masivní recyklaci baterií z celého světa.

Výroba elektřiny nezpůsobuje životní prostředí menší škody než spalování paliva ze spalovacího motoru. Dnes 40 % z celkového počtu elektráren vyrábí energii z uhlí a rašeliny, 22 % na plyn a 5 % na ropné frakce.

Výroba elektromobilů je propojena s mnoha technologickými procesy, jako je výroba energie, prodej a likvidace chemických baterií, způsoby využití kovů vzácných zemin a minerálů pro výrobu trakčních baterií. Hodně také závisí na nákladech na výrobu stejných baterií, které jsou jedním z nejdražších a nejvíce znečišťujících zařízení v moderním elektromobilu. Používání elektromobilů je samo o sobě mezi konkurenty nejšetrnější k životnímu prostředí, ale výroba energie a baterií vyžaduje hodně paliva, což vede ke znečišťování životního prostředí.

Předčasnost dopravních podniků k ničemu lepšímu nepovede, nejrozumnějším řešením by nyní bylo na 10-15 let omezit výrobu elektromobilů, aby se ve všech jejích fázích dospělo k novým a lepším výrobním metodám.

Dá se předpokládat, že pokud se elektromobily také rychle prodávají, ale naopak se nevyvíjejí, tak brzy kvůli obrovské rivalitě již ne mezi auty se spalovacím motorem a auty s elektrickým pohonem, ale právě mezi firmami vyrábějícími elektromobilů, tam bude způsoben kategorický nárůst popularity a relativní levnosti elektromobilů. To může vést k tomu, že v letech 2025–2030 se může stát, že počet elektromobilů nebude převažovat, ale rapidně vzroste oproti počtu aut s tepelným motorem, a to povede k ještě větším nákladům na elektřinu, že je šíření sítí pro čerpací stanice pohonných hmot a také specializované služby. Bude naléhavě nutné poskytovat vysoce kvalitní školení stovkám tisíc specialistů v této oblasti. 20 let po tomto boomu, tedy v roce 2050, se však může stát něco, co celé lidstvo nebylo připraveno na tak obrovské množství použité bateriové techniky, kterou bude potřeba zlikvidovat. Jako každá jiná baterie založená na chemickém principu působení proudu, i trakční baterie mají svou vlastní životnost, po které nelze všechny obnovit.

Abychom to shrnuli, je třeba poznamenat, že myšlenka elektrického pohonu v autech je stejně populární a lze ji právem nazvat stejně ekologickou, jako je stará. Dávno před spalovacími motory se začaly objevovat elektromotory. Pro snadnou obsluhu, cenový rozdíl, přizpůsobivost různým povětrnostním podmínkám a snadnou údržbu je však nahradily stroje s tepelným motorem. Elektromobily navíc nemohly dosahovat rychlosti, jaké by mohly dosahovat vozy s tepelným motorem.

1. Matskerle, Yu. pruh z češtiny V. B. Ivanova; upravil A. R. Benediktová. – M.: Strojírenství, 1987.
2. Stroganov, V.I. Zlepšení provozních vlastností automobilů a automobilů s kombinovanou elektrárnou: dis. Dr. Tech. Vědy / Stroganova Vladimir Ivanovič. — M., 2015

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): vnitřní spalování, stroj, elektromobil, elektromobil, baterie, životní prostředí, okolní svět, recyklace baterií, chemické působení proudu, elektrický pohon.

Jaké baterie se používají v elektromobilech (dále jen EV, Electric Vehicle, electric vehicle)? Elektromobily mají obvykle nainstalované dvě baterie současně:

• startér, jako u klasických automobilů; používané pro osvětlení, vytápění a některé další účely;
• trakce – k napájení elektromotoru; bude o nich pojednáno v tomto článku.

Klíčové funkční rozdíly mezi trakční baterií a baterií typu „startovací-zapalovací-zapalovací“ jsou v tom, že je navržena tak, aby poskytovala energii po delší dobu, a je také schopna odolat velkému počtu cyklů nabití a vybití. Baterie elektrických vozidel se vyznačují relativně vysokým poměrem výkonu k hmotnosti a hustotou energie (množství energie na jednotku objemu); lehčí baterie snižují hmotnost vozidla a zlepšují výkon. Ve srovnání s kapalnými palivy má většina moderních trakčních baterií výrazně nižší hustotu energie (množství energie na jednotku hmotnosti), což velmi ovlivňuje dojezd elektromobilů. Baterie tvoří značnou cenu elektrického vozidla, což na rozdíl od vozidel na fosilní paliva výrazně ovlivňuje dojezd jednotky. Od roku 2018 lze několik elektrických vozidel s dojezdem více než 500 km, jako je Tesla Model S, považovat ve většině zemí spíše za luxus než za dopravní prostředek.

Můžete se podívat na video, ve kterém autor rozebírá trakční baterii Tesla Model S:

Od konce 1990. let byly pokroky v technologii baterií řízeny požadavky na přenosnou elektroniku, jako jsou přenosné počítače a mobilní telefony. Trh s elektrickými vozidly těžil z těchto pokroků v oblasti výkonu i energetické hustoty. Baterie se mohou vybíjet a nabíjet každý den. Zejména kvůli klesajícím nákladům na baterie klesly náklady na elektrická vozidla od roku 35 do roku 2008 o více než 2014 %. Předpokládaný trh s automobilovými trakčními bateriemi do roku 2020 přesáhne 37 miliard USD. Z hlediska provozních nákladů je cena elektřiny pro pohon EV zlomkem ceny paliva ekvivalentních spalovacích motorů, což odráží vyšší energetickou účinnost. Náklady na výměnu baterií dominují provozním nákladům.

Jaké baterie se používají v elektromobilech

Kyselina olova

Nejlevnější a dříve nejrozšířenější trakční baterie. Existují dva hlavní typy olověných baterií: automobilové startovací baterie a baterie s hlubokým cyklem. Automobilové alternátory jsou navrženy tak, aby poskytovaly vysoké rychlosti nabíjení startovacích baterií pro rychlé nabíjení, zatímco baterie s hlubokým cyklem používané pro elektrická vozidla vyžadují různé vícestupňové nabíjení. Žádná olověná baterie by se neměla vybíjet na méně než 50 % své kapacity, protože to zkracuje životnost baterie. Takové baterie vyžadují údržbu, konkrétně sledování hladiny a kvality elektrolytu.

Tradičně většina elektrických vozidel používala olověné baterie kvůli jejich vyspělé technologii, vysoké dostupnosti a nízké ceně (výjimka: některé rané elektromobily, jako je Detroit Electric, používaly nikl-železné baterie). Baterie s hlubokým cyklem jsou drahé a mají kratší životnost než samotné vozidlo, obvykle vyžadují výměnu každé 3 roky.

Olověné baterie v EV tvoří významnou (25–50 %) část konečné hmotnosti vozidla. Jako všechny baterie mají výrazně nižší hustotu energie než ropná paliva. I když rozdíl není tak extrémní, jak se na první pohled zdá, kvůli lehčímu pohonu v EV. Účinnost (70–75 %) a akumulační kapacita kyselinové baterie s hlubokým cyklem se při nižších teplotách snižuje a spotřeba energie na provoz topné spirály snižuje účinnost a dojezd až o 40 %.

Nabíjení a provoz baterií obvykle uvolňuje vodík, kyslík a síru, které se přirozeně vyskytují a jsou obvykle neškodné, pokud jsou řádně odvětrávány. První majitelé elektromobilů s těmito bateriemi zjistili, že pokud nebudou správně větrány, bude v kabině ihned po nabití nepříjemný sirný zápach.

Olověné baterie poháněly takové raně moderní elektromobily, jako byly původní General Motors EV1 a Toyota RAV4 EV.

Nikl-metal hydrid

Nikl hydridové (NiMH) baterie jsou nyní považovány za relativně vyspělou technologii. Přestože jsou méně účinné při nabíjení a vybíjení než olověné kyseliny, mají energetickou hustotu 30-80 Wh/kg, což je mnohem více než olověné. Při správném použití mohou mít baterie NiMH výjimečně dlouhou životnost, jak bylo prokázáno u hybridních vozidel a NiMH RAV4 „přežití“ EVM, které stále dobře fungují po ujetí 100 000 km a více než deseti letech provozu. Mezi nevýhody patří nízká účinnost, vysoká úroveň samovybíjení a nízký výkon v chladném počasí.

Chlorid nikelnatý sodný

Říká se jim také ZEBRA (Zeolite Battery Research Africa). Tyto baterie používají jako elektrolyt roztavený chloraluminát sodný (NaAlCl4). Tato chemie je také někdy označována jako „horká sůl“. Poměrně vyspělá technologie, baterie Zebra má hustotu energie 120 W/kg a přiměřený sériový odpor. Vzhledem k tomu, že je třeba baterii před použitím zahřát, chladné počasí nemá na výkon baterie velký vliv kromě zvýšení nákladů na vytápění. Byly použity v několika EV. Zebry lze použít několik tisíc nabíjecích cyklů a jsou netoxické. Mezi nevýhody baterie Zebra patří špatný poměr výkonu k wattu (

Baterie Zebra se v užitkových vozidlech Modec používají od jeho představení v roce 2006.

Lithiový ion

Lithium-iontové (Li-ion a podobné lithium-polymerové Li-pol) baterie, široce známé pro jejich použití v laptopech, telefonech a další elektronice, dominují v odvětví špičkových elektrických vozidel. Tato technologie umožňuje vytvářet bateriové články s působivou hustotou energie 200+ Wh/kg a dobrou hustotou výkonu a účinností nabíjení/vybíjení 80 až 90 %. Nevýhody tradičních lithium-iontových baterií zahrnují krátké doby cyklů (několik set až několik tisíc nabíjecích cyklů) a výraznou ztrátu kapacity s věkem. Katoda je také poněkud toxická. Tradiční lithium-iontové baterie mohou navíc představovat riziko požární bezpečnosti, pokud jsou proraženy nebo nesprávně nabity. Vyspělost této technologie je střední. Tesla Roadster (2008) využívá tradiční lithium-iontové články nacházející se v laptopech, které lze podle potřeby individuálně vyměnit.

Většina ostatních EV používá nové varianty na téma lithium-ion, které obětují určitou energii a hustotu výkonu, aby zajistily požární odolnost, šetrnost k životnímu prostředí, velmi rychlé nabíjení (jen několik minut) a velmi dlouhou životnost. Ukázalo se, že tyto možnosti (fosfáty, titanáty atd.) mají mnohem delší životnost.

Pro zlepšení lithium-iontových baterií v laboratořích se dělá spousta práce a výzkumu. Oxid lithný a vanadičný je již použit v prototypu Subaru G4e, čímž se zdvojnásobuje hustota energie. V současnosti jde o nejslibnější technologii baterií pro elektromobily.

Cena baterie

Každým rokem se výroba baterií pro elektromobily zvyšuje. V důsledku toho, stejně jako vývoje technologií, náklady na kWh stojí stále méně. Podle studie zveřejněné agenturou Bloomberg New Energy Finance (BNEF) v únoru 2016 klesly ceny trakčních baterií od roku 65 o 2010 %, přičemž jen v roce 35 poklesly o 2015 % a dosáhly 350 USD za kWh. Studie dochází k závěru, že náklady na baterie stojí v cestě elektromobilům, aniž by do roku 2022 byly vládní dotace (v současnosti existující v Evropě a USA) stejně dostupné jako auta se spalovacím motorem.

Kde a za kolik koupit baterie v Rusku

Většinu potenciálních kupců ojetých elektromobilů zajímá otázka: kolik stojí nová baterie pro elektromobil a kde ji můžete koupit? To je důležité pro pochopení, zda se vyplatí utrácet peníze za auto s baterií s větší zbytkovou kapacitou nebo je lepší koupit starší auto a koupit novou baterii. V současné době se trh s elektromobily v Ruské federaci teprve rozvíjí a všech těch pár majitelů lze rozdělit do dvou kategorií: lidé s vysokými příjmy, kteří vlastní zcela nové Tesly nebo BMW i8, a lidé, kteří používají ojeté elektromobily dovezené z Japonska. USA nebo Evropa, pro které je důležitá konečná cena za kilometr ujetý elektromobilem. Ti první se mohou obrátit na prodejce, od kterého vůz zakoupili, ale vzhledem k vlastnostem moderních baterií to nebude brzy nutné. A ten druhý si musí vybrat: provozovat auto s kratší rezervou chodu nebo vybít na novou nebo málo použitou baterii. Nejoblíbenějším řešením pro japonská elektrická vozidla je nákup nebo objednání baterie v Delniy Vostok. Jako příklad uvedu aktuální náklady na použité baterie. Baterie 24 kW/h na Nissan Leaf I se zbytkovou kapacitou asi 75% bude stát asi 110 tisíc rublů. Náklady na rozšířenou baterii 30 kW/h se zbytkovou kapacitou 95 % mohou dosáhnout více než 300 tisíc rublů. Pokud máte zájem o baterii pro auto vyrobené v Evropě nebo USA, můžete očekávat přibližně stejný poměr nákladů ke zbývající kapacitě. Navíc, pokud je baterie potřebná například v Moskvě, měly by být do nákladů zahrnuty i náklady na doručení.

Výdrž baterie

Životnost baterie je v tuto chvíli s přihlédnutím k postupnému poklesu zbytkové kapacity minimálně na 70 % více než 4 000 cyklů nabití-vybití, tedy v průměru více než 1 500 000 km a vydrží více než 10 let. To nám umožňuje říci, že hlavní stížností na trakční baterie je nyní jejich cena.

Jak se snižuje kapacita baterie

V průběhu let a ujetých kilometrů se kapacita baterie elektromobilu snižuje. Všechny baterie se časem opotřebují a musí být vyměněny. Rychlost, s jakou vyprší, závisí na řadě faktorů. Hloubka vybití je doporučené minimální procento celkové akumulované energie, pro které tato baterie dosáhne svých jmenovitých cyklů. Baterie s hlubokým cyklem by se obecně neměly vybíjet na méně než 20 % jejich celkové kapacity. Některé moderní baterie vydrží i hlubší vybití. Lithium-iontové baterie používané ve většině moderních elektromobilů ztrácejí za rok část své maximální kapacity, i když se nepoužívají, ale mají velmi vysokou cyklickou odolnost a vydrží více než 10 000 nabíjecích a vybíjecích cyklů a dlouhou životnost až 20 let. Nikl-metal hydridové baterie ztrácejí mnohem méně kapacity.

Testy životnosti baterie Tesla Roadster (2008) byly provedeny ve Spojených státech. Bylo zjištěno, že po 100 000 mílích (160 000 km) měla baterie stále 80 až 85 procent kapacity, bez ohledu na to, v jakém klimatickém pásmu vůz jezdil. Tesla Roadster byla vyrobena a prodána v letech 2008 až 2012. Tesla Model S přichází s 85letou zárukou/neomezeným počtem najetých kilometrů na 8 kWh baterie.

Od prosince 2016 je celosvětově nejprodávanějším elektromobilem Nissan Leaf, jehož se od jeho založení v roce 250 prodalo více než 000 2010 kusů. Nissan v roce 2015 uvedl, že během té doby muselo být kvůli poruchám nebo problémům vyměněno pouze 0,01 % baterií. Existuje mnoho vozidel EV, která již mají najeto více než 200 000 km; žádný z nich neměl problémy s baterií.

Jak dlouho trvá nabití baterie?

Baterie elektromobilů jako Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 atd. lze na rychlonabíjecích stanicích nabít na 30 procent do 80 minut. Nabíjení z klasických 3 kW zásuvek trvá v průměru 8 hodin.

V roce 2014 výzkumníci ze Singapuru vyvinuli baterii, kterou lze nabít na 2 procent za 70 minuty. Baterie se spoléhají na lithium-iontovou technologii. Anoda a záporný pól v této baterii však nejsou vyrobeny z grafitu, ale z gelu oxidu titaničitého. Gel výrazně urychluje chemickou reakci a tím zajišťuje rychlejší nabíjení.

Výkonová rezerva

Dojezd EV závisí na počtu a typu použitých baterií. Stejně jako u tradičních vozů má vliv hmotnost a typ vozidla, ale také terén, počasí a styl jízdy.

• Olověné baterie jsou nejsnáze dostupné a levné. Obvykle mají dojezd 30 až 80 km.
• NiMH baterie mají vyšší hustotu energie než olověné; Prototypy elektromobilů poskytují dojezd až 200 km.
• Nové lithium-iontové baterie poskytují 320-480 km dojezdu na jedno nabití. Lithium je také levnější než nikl.
• Nikl-zinková baterie je levnější a lehčí než nikl-kadmiové baterie. Jsou také levnější než lithium-iontové baterie.

Nalezení ekonomické rovnováhy mezi výkonem, kapacitou baterie a hmotností a také typem baterie a cenou závisí na každém výrobci elektromobilů.

Při použití AC systému nebo DC DC systému může rekuperační brzdění prodloužit rezervu až o 50 % za extrémních jízdních podmínek, aniž by došlo k úplnému zastavení. Jinak se při jízdě po městě dojezd zvyšuje o cca 10-15% a na dálnici se nezvyšuje vůbec.

Elektromobily (včetně autobusů a nákladních vozidel) mohou v případě potřeby používat přívěsy a tlačné přívěsy s bateriemi k prodloužení dojezdu bez přidané hmotnosti běžného provozu na krátké vzdálenosti. Přívěsy s vybitou baterií lze po trase vyměnit za nabité.

Taková BEV se mohou stát hybridními vozidly v závislosti na typu vozidla a typu vozidla a hnacího ústrojí.

• Tesla Model S s 85 kWh baterií má dojezd 510 km.
• Elektromobil BYD e6 s 60 kWh baterií má dojezd cca 300 km.
• Nejprodávanější Nissan Leaf roku 2016 s 30 kWh baterií má dojezd 172 km.

Jak se baterie používají a nacházejí v elektromobilu, můžete pochopit z videa: