Или какво всъщност представляват литиево-йонните батерии
Светът се променя. Бързо, трайно и необратимо. А на гребена на тази вълна е автомобилът, така че искате или не трябва да се сбогувате с досегашната си представа за него. И да приемете едно бъдеще, в което електроагрегатите и акумулаторните батерии ще стават все по-присъщи на автомобилния бизнес.
Броят на електрическите автомобили по улиците дори на държавите с изключителни данъчни стимули все още малък, но по отношение на развитието на батериите всъщност се извършва една тиха революция. През 2007 година цената на литиево-йонните батерии е 1300 долара на кВтч, а през 2012 година вече е спаднала на 500 долара. От 2010 до 2016 година относителната цена е спаднала с 65 процента, като само през 2015 година спада с 35 процента, според изследване на Bloomberg New Energy Finance (BNEF). През октомври 2015 година GM обявява, че за 2016 година очаква цена от 145 долара за кВтч. Не се знае дали тя е достигната, но според гореспоменатото изследване на BNEF до 2022 година траекторията на кривата на спада на цените на батериите ще направят електрическите автомобили конкурентни на тези, задвижвани от двигатели с вътрешно горене и без необходимост от държавни субсидии. Именно този прогрес тласка развитието на електромобилите, тъй като електрическите мотори така или иначе имат КПД от над 90 процента – при тях високотехнологичността се състои се изразява в борбата за всеки процент отгоре.
130 години развитие на двигателя с вътрешно горене си казват думата
Това е нова глава в автомобилната история. Електричеството, неизменно присъствало на сцената като второстепенен актьор, сега получава нов, далеч по-значим статут. А електрическите машини вече придобиват функция на задвижващи агрегати. В това няма нищо чудно – те имат значително по-проста конструкция и едновременно с това са по-ефективни от двигателя с вътрешно горене. Големият въртящ момент при нулеви и ниски оборотни режими, липсата на възвратно-постъпателно движение, както и възможността за по-гъвкав контрол дават възможност не само за създаване на по-леки конструкции, но и за отпадането или максималното опростяване на трансмисията. Ако нещата стояха така и при акумулаторните батерии, човечеството сигурно отдавна щеше да е забравило двигателя с вътрешно горене.
Засега обаче двигателят с вътрешно горене печели битката. Енергийното съдържание на килограм бензин възлиза на 12 000 Втч, които изглеждат колосални на фона на около 200-те Втч на килограм при най-модерните в момента литиево-йонни акумулатори. При това тази стойност в момента е гранична, а високото енергийно съдържание задължително е свързано с необходимостта от намаляване на изходната мощност на батериите. Увеличаването на мощността на ДВГ не е проблем, що се касае до необходимостта от доставяне на определено количество гориво и въздух. При батериите обаче генерирането на голямо количество електричество за единица време е силно ограничено като възможности. И, както споменахме, е обратно пропорционално на енергийния капацитет поради естеството на химическите процеси. От своя страна дълбокият заряд и разряд, тоест оползотворяването на капацитета във възможно най-голяма степен, влиза в противоречие с продължителността на живота на батериите.
Литиево-йонната технология в момента е незаменима
Никелметалохидридните батерии вече достигнаха своята максимална степен на зрялост и въпреки надеждността им и възможността за многократни цикли никой вече няма да инвестира повече усилия за развитието им предвид способностите на литиево-йонните батерии. Присъствие на батерии с висок капацитет позволява и използването на нови решения в областта на топлинните машини при електромобили с удължен пробег – като газова турбина и двигател на Стърлинг. Те осигуряват особено благодатна почва и за HCCI моторите заради фиксираните режими на работа.
Разработването на акумулаторните батерии се развива в различни насоки - хибридните автомобили и чистите електромобили изискват различен тип съоръжения. При първите основният акцент пада върху голямата мощност и респективно възможността за бързо регенериране на енергия при спиране. Докато при електрическите приоритет има високото енергийно съдържание, както и възможността за по-малко на брой, но по-дълбоки разреждания и пълни зареждания. Това от своя страна насочва конструкторите им към диференциран подход при използваните материали за катодите – различни съединения на лития (с кобалт, манган или железен фосфат). За съжаление по-големият потенциал крие и своите подводни камъни по отношение на сигурността – за разлика от никелметалохидридните батерии, които сравнително безпроблемно толерират свръхзареждане, дълбоко разреждане и групиране на отделни клетки, при литиево-йонните електрониката трябва внимателно да контролира зарядното състояние и температурата, за да не се стигне до спонтанно самозапалване на лесногоримите материали, които ги изграждат. Именно поради тази причина в критична точка се превръща голямата температурна чувствителност на литиево-йонната електрохимия, чиито процеси се извършват адекватно при сравнително тесен температурен диапазон (между 25 и 40 градуса). Това означава, че трябва да се изразходва допълнителна енергия за отопление или охлаждане и скъпи топлоизолиращи материали. Част от развойната дейност на фирмите е насочена именно в тази посока. За да се повиши ефективността на електрохимията, конструкторите прибягват до така наречените нанотехнологии, оформяйки електродите така, че да се осигури по-голяма контактна площ, по-бърза дифузия на литиевите йони и по този начин - намаляване на общия обем и тегло на агрегатите. С увеличаване на производството и усъвършенстване на сложните и стерилни производствени процеси постепенно ще се намалява цената, както по-горе споменахме. Редица конструктори разглеждат възможността за съчетаване на високата моментна мощност, предлагана от суперкондензаторите, и високото енергийно съдържание на батериите, както и комбинация от двуелементни батерии, които да постигнат едновременно висока енергийна плътност и голяма моментна мощност. Сериозните инвестиции, направени за създаването на високоефективни батерии за телефони и преносими компютри, осигуряват една наистина солидна основа, но условията на работа в автомобилите и необходимата дълготрайност поставят нови предизвикателства пред конструкторите.
Литиевият феномен
Вече има доста на брой компании за производство на акумулаторни батерии, които разработват различни компоненти, сплави и съединения. Появяват се все повече нови фактори включително мега играчи като амбициозната Tesla. От една страна, това е добре за автомобилните производители, но всички големи играчи още са в междинни фази на разработка. Именно на автомобилните производители се пада тежката участ да извършват полеви изпитания, за да установят пригодността на тези продукти.
Идеята за създаването на литиево-йонните батерии датира още от 1912 година, а първите образци на тази основа (без възможност за зареждане) се появяват през 70-те години. Процесите в тях са доста различни като характер от тези при класическите оловно-киселинни батерии, където протичането на електрически ток е резултат от обратими химически взаимодействия между веществата в електродите и електролита.
Възможността за осъществяване на електрохимически процеси в Li-Ion елементи се дължи на отделянето на литиеви протони и електрони от литиевото съединение на катода при зареждане. Йоните се насочват към въглеродния анод, преминавайки през мембрана, и се съединяват с него. При разреждане се получава обратното движение – йоните се връщат към катода, а електроните от своя страна преминават през външния електрически товар. Свръхзареждането и пълното разреждане обаче водят до образуване на нови трайни съединения, с което се намаляват и дори прекратяват функциите на батерията. Идеята за използване на лития като донор на елементарни частици е свързана с факта, че той е най-лекият метал и при него лесно могат да се отделят протони и електрони при подходящите условия. Учените обаче много бързо се отказват от възможността за използване на чист литий поради неговата висока летливост и от съображения за сигурност. Започват експерименти с различни литиеви съединения и през 1991 година усилията на учените се увенчават с успех – компанията SONY започва серийното производство на зареждащи се литиево-йонни батерии. В момента именно този тип батерии имат най-висока изходна мощност и енергийна плътност и най-важното – значителен потенциал за развитие. Компаниите се насочват към различни съединения на лития в зависимост от изискванията към батериите. Това са литиево-кобалтов окис (LCO), съединения с никел, кобалт и алуминий (NCA) или с никел, кобалт и манган ( NCM), литиево железен фосфат (LFP), литиево-манганов шпинел (LMS), литиево-титаниев окис (LTO) и прочие. Най-високоенергийните (от електрохимическа гледна точка) съединения осигуряват и най-високо клетъчно напрежение, тоест по правило имат най-висока енергийна плътност и мощност. Практиката обаче показва, че невинаги те са най-подходящите за използване в автомобилостроенето. Особено интересен напоследък е литиево-железният фосфат, който, макар и да е с по-ниски енергийни нива, има по-приемлива цена и гарантира по-дълъг живот и сигурност на батериите.
Литиево-йонните батерии са с по-високо напрежение на единичната клетка в сравнение с конкурентите си – средно 3,6 волта. Въпреки по-високата си енергийна плътност и липсата на така наречената памет (намаляване на капацитета в резултат от неправилна първоначална експлоатация) те имат и някои съществени недостатъци – необходимостта от постоянен контрол на зарядното състояние и температурата на всяка отделна клетка. За съжаление конструкторите все още нямат опит и в установяване на дълготрайността на батериите и влиянието на редица фактори върху нея - като например съхраняване без използване за продължителен период от време. В момента най-оптимални в смисъла на съотношение цена/енергия са цилиндричните елементи 18650 (18 е диаметърът, а 650 - дължината в мм) когато не е нужна геометрия със свръхтънки структурни елементи и именно голямото количество произвеждано за целите на различни електрически и електронни компоненти даде възможност на Tesla (използваща именно такива елементи) да снижи цената на своите електромобили.
Най-същественото противоречие в изискванията към батериите обаче се състои в гореспоменатата едновременна нужда от отделяне на голяма мощност и висок енергиен капацитет. За първия случай конструкторите трябва да осигурят бързо отдаване на йони и електрони, а това от своя страна означава суровото вещество да е нанесено на тънък филм. За втория пък дебелината на филма трябва да се увеличи, което от своя страна намалява възможността за отдаване на голяма мощност и намалява скоростта на зареждане. Разковничето се състои в материалите и наноструктурите, при които площта на структурата може да бъде 50 пъти по-голяма от площта на проекцията върху електрода.
Литиево-полимерните батерии се различават от гореспоменатите по вида на електролита - в случая сух твърд полимер, който не провежда електричество, но дава възможност за йонен обмен. Той заменя традиционния напоен с електролит порьозен сепаратор. За съжаление ниската им проводимост намалява възможността за отдаване на голяма моментна мощност, поради което в последните разработки се използва специален гел.