Môžu superkondenzátory nahradiť batérie v elektrických vozidlách?

Elektrické autá a hybridy sú pevne zakorenené v povedomí moderného motoristu ako nové kolo vývoja vozidiel. V porovnaní s modelmi vybavenými ICE majú tieto vozidlá svoje vlastné výhody a nevýhody.

Medzi výhody vždy patrí tichý chod, ako aj absencia znečistenia počas jazdy (aj keď dnes výroba jednej batérie pre elektromobil znečisťuje životné prostredie viac ako 30 rokov prevádzky jedného naftového motora).

Hlavnou nevýhodou elektrických vozidiel je potreba nabíjania batérie. V tejto súvislosti vyvíjajú poprední výrobcovia automobilov rôzne možnosti, ako predĺžiť životnosť batérie a predĺžiť interval medzi nabíjaniami. Jednou z týchto možností je použitie superkondenzátorov.

Zvážte túto technológiu na príklade nového automobilového priemyslu - Lamborghini Sian. Aké sú výhody a nevýhody tohto vývoja?

Novinka na trhu s elektrickými vozidlami

Keď Lamborghini začne vyrábať hybrid, môžete si byť istí, že nepôjde len o výkonnejšiu verziu Toyoty Prius.

Sian, debut talianskej elektrifikačnej spoločnosti, je prvým sériovým hybridným automobilom (s ohromnými 63 jednotkami), ktorý namiesto lítium-iónových batérií používa superkondenzátory.

Mnoho fyzikov a inžinierov sa domnieva, že skôr ako lítium-iónové batérie majú kľúč k hromadnej elektrickej mobilite. Sian ich používa na uskladnenie elektriny a v prípade potreby jej dodanie do svojho malého elektromotora.

Výhody superkondenzátorov

Superkondenzátory nabíjajú a uvoľňujú energiu oveľa rýchlejšie ako väčšina moderných batérií. Okrem toho vydržia podstatne viac cyklov nabíjania a vybíjania bez straty kapacity.

V prípade Sianu superkondenzátor poháňa 25 kilowattový elektromotor, ktorý je zabudovaný do prevodovky. Môže buď poskytnúť dodatočnú podporu 6,5-litrovému spaľovaciemu motoru V12 s výkonom 785 koní, alebo samostatne jazdiť so športovým autom pri manévrovaní v nízkych otáčkach, napríklad pri parkovaní.

Pretože je nabíjanie veľmi rýchle, nemusí byť tento hybrid zapojený do sieťovej zásuvky alebo nabíjacej stanice. Superkondenzátory sú úplne nabité vždy, keď vozidlo zabrzdí. Hybridné batérie majú tiež rekuperáciu brzdnej energie, je to však pomalé a predĺženie elektrického dojazdu pomáha iba čiastočne.

Superkondenzátor má ďalší veľmi veľký tromf: hmotnosť. V Lamborghini Sian celý systém – elektromotor plus kondenzátor – pridáva na hmotnosti len 34 kilogramov. V tomto prípade je nárast výkonu 33,5 konských síl. Pre porovnanie, samotná batéria Renault Zoe (s výkonom 136 koní) váži okolo 400 kg.

Nevýhody superkondenzátorov

Samozrejme, superkondenzátory majú v porovnaní s batériami aj nevýhody. Časom oveľa horšie akumulujú energiu – ak Sian týždeň nejazdil, v kondenzátore už nezostala žiadna energia. Existujú však aj možné riešenia tohto problému. Lamborghini spolupracuje s Massachusettským technologickým inštitútom (MIT) na vytvorení čisto elektrického modelu založeného na superkondenzátoroch, slávnom koncepte Terzo Millenio (Third Millennium).

BST

Mimochodom, Lamborghini, ktoré zastrešuje koncern Volkswagen, nie je jedinou spoločnosťou, ktorá v tejto oblasti experimentuje. Hybridné modely Peugeot používajú superkondenzátory už roky, rovnako ako modely Toyota a Honda s vodíkovými palivovými článkami. Čínski a kórejskí výrobcovia ich inštalujú do elektrických autobusov a nákladných áut. A minulý rok Tesla kúpila Maxwell Electronics, jedného z najväčších svetových výrobcov superkondenzátorov, čo je jasné znamenie, že aspoň Elon Musk verí v budúcnosť technológie.

Sedem kľúčových faktov pre pochopenie superkondenzátorov

1 Ako fungujú batérie

Technológia batérií je jednou z vecí, ktoré sme dlho považovali za samozrejmosť bez toho, aby sme premýšľali o tom, ako to funguje. Väčšina ľudí si predstavuje, že pri nabíjaní jednoducho „nalejeme“ elektrinu do batérie ako vodu do pohára.

Ale batéria neskladuje elektrinu priamo, ale generuje ju iba v prípade potreby chemickou reakciou medzi dvoma elektródami a tekutinou (najčastejšie), ktorá ich oddeľuje, nazývanou elektrolyt. Pri tejto reakcii sa chemikálie v nej premieňajú na iné. Počas tohto procesu vzniká elektrická energia. Keď sú úplne prevedené, reakcia sa zastaví - batéria je vybitá.

Pri dobíjacích batériách však môže reakcia nastať aj opačným smerom – keď ich nabijete, energia spustí spätný proces, ktorý obnoví pôvodné chemikálie. Môže sa to opakovať stokrát alebo tisíckrát, ale nevyhnutne dochádza k stratám. Časom sa na elektródach nahromadia parazitné látky, takže životnosť batérie je obmedzená (zvyčajne 3000 5000 až XNUMX XNUMX cyklov).

2 Ako fungujú kondenzátory

V kondenzátore nedochádza k žiadnym chemickým reakciám. Kladné a záporné náboje sú generované výlučne statickou elektrinou. Vo vnútri kondenzátora sú dve vodivé kovové dosky oddelené izolačným materiálom nazývaným dielektrikum.

Nabíjanie je veľmi podobné ako vtieranie loptičky do vlneného svetra tak, aby sa držal statickou elektrinou. V doskách sa hromadia kladné a záporné náboje a oddeľovač medzi nimi, ktorý im bráni v kontakte, je v skutočnosti prostriedkom na akumuláciu energie. Kondenzátor je možné nabiť a vybiť dokonca miliónkrát bez straty kapacity.

3 Čo sú to superkondenzátory

Bežné kondenzátory sú príliš malé na ukladanie energie – zvyčajne sa meria v mikrofaradoch (v miliónoch faradov). To je dôvod, prečo boli v 1950. rokoch vynájdené superkondenzátory. V ich najväčších priemyselných variantoch vyrábaných spoločnosťami ako Maxwell Technologies dosahuje kapacita niekoľko tisíc farad, teda 10-20% kapacity lítium-iónovej batérie.

4 Ako fungujú superkondenzátory

Na rozdiel od bežných kondenzátorov tu nie je dielektrikum. Namiesto toho sú dve dosky ponorené do elektrolytu a oddelené veľmi tenkou izolačnou vrstvou. Kapacita superkondenzátora sa v skutočnosti zvyšuje, keď sa plocha týchto dosiek zväčšuje a vzdialenosť medzi nimi sa zmenšuje. Na zväčšenie povrchu sú v súčasnosti potiahnuté poréznymi materiálmi, ako sú uhlíkové nanorúrky (tak malé, že sa ich 10 miliárd zmestí na jeden štvorcový cm). Separátor môže mať hrúbku iba jednej molekuly s vrstvou grafénu.

Aby sme pochopili rozdiel, je najlepšie myslieť na elektrinu ako na vodu. Jednoduchý kondenzátor by potom vyzeral ako papierová utierka, ktorá dokáže absorbovať obmedzené množstvo. Superkondenzátorom je v tomto prípade kuchynská špongia.

5 batérií: klady a zápory

Batérie majú jednu významnú výhodu – vysokú hustotu energie, ktorá im umožňuje ukladať relatívne veľké množstvo energie do malého zásobníka.

Majú však aj mnohé nevýhody – veľkú hmotnosť, obmedzenú životnosť, pomalé nabíjanie a relatívne pomalé uvoľňovanie energie. Okrem toho sa na ich výrobu používajú toxické kovy a iné nebezpečné látky. Batérie sú účinné len v úzkom rozsahu teplôt, preto je často potrebné ich chladiť alebo ohrievať, čím sa znižuje ich vysoká účinnosť.

6 superkondenzátorov: klady a zápory

Superkondenzátory sú oveľa ľahšie ako batérie, ich životnosť je neporovnateľne dlhšia, nevyžadujú žiadne nebezpečné látky, takmer okamžite sa nabíjajú a uvoľňujú energiu. Keďže nemajú takmer žiadny vnútorný odpor, nespotrebúvajú energiu na fungovanie – ich účinnosť je 97 – 98 %. Superkondenzátory pracujú bez výraznejších odchýlok v celom rozsahu od -40 do +65 stupňov Celzia.

Nevýhodou je, že skladujú podstatne menej energie ako lítium-iónové batérie.

7 Nový obsah

Ani tie najpokročilejšie moderné superkondenzátory nemôžu úplne nahradiť batérie v elektrických vozidlách. Mnoho vedcov a súkromných spoločností však pracuje na ich zlepšení. Napríklad vo Veľkej Británii Superdielectrics pracuje s materiálom pôvodne vyvinutým na výrobu kontaktných šošoviek.

Skeleton Technologies pracuje s grafénom, alotropickou formou uhlíka. Jedna vrstva s hrúbkou jedného atómu je 100-krát pevnejšia ako vysokopevná oceľ a len 1 gram z nej dokáže pokryť 2000 metrov štvorcových. Spoločnosť nainštalovala grafénové superkondenzátory do bežných dieselových dodávok a dosiahla 32 % úsporu paliva.

Napriek tomu, že superkondenzátory nemôžu úplne vymeniť batériu, dnes existuje pozitívny trend vo vývoji tejto technológie.

Otázky a odpovede:

Ako funguje superkondenzátor? Funguje rovnako ako vysokokapacitný kondenzátor. V ňom sa elektrina akumuluje v dôsledku statiky počas polarizácie elektrolytu. Hoci ide o elektrochemické zariadenie, nedochádza k žiadnej chemickej reakcii.

Na čo je superkondenzátor? Superkondenzátory sa používajú na skladovanie energie, štartovanie motorov, v hybridných vozidlách, ako zdroje krátkodobého prúdu.

Ako sa superkondenzátor líši od rôznych typov batérií? Batéria je schopná sama generovať elektrinu prostredníctvom chemickej reakcie. Superkondenzátor iba akumuluje uvoľnenú energiu.

Kde sa používa superkondenzátor? Nízkokapacitné kondenzátory sa používajú v zábleskových jednotkách (úplne vybité) a v akomkoľvek systéme, ktorý vyžaduje veľký počet cyklov vybitia/nabitia.