Mohou superkondenzátory vyměnit baterie v elektrických vozidlech?

Elektromobily a hybridy jsou pevně zakořeněny v myslích moderního motoristy jako nové kolo ve vývoji vozidel. Ve srovnání s modely vybavenými ICE mají tato vozidla své vlastní výhody a nevýhody.

Mezi výhody vždy patří tichý provoz a také absence znečištění během jízdy (i když dnes výroba jedné baterie pro elektromobil znečišťuje životní prostředí více než 30 let provozu jediného vznětového motoru).

Hlavní nevýhodou elektrických vozidel je nutnost nabíjení baterie. V souvislosti s tím vyvíjejí přední výrobci automobilů různé možnosti, jak prodloužit životnost baterie a prodloužit interval mezi nabíjeními. Jednou z těchto možností je použití superkondenzátorů.

Zvažte tuto technologii na příkladu nového automobilového průmyslu - Lamborghini Sian. Jaké jsou výhody a nevýhody tohoto vývoje?

Novinka na trhu s elektrickými vozidly

Když Lamborghini začne vyrábět hybrid, můžete si být jisti, že to nebude jen výkonnější verze Toyoty Prius.

Sian, debut italské elektrifikační společnosti, je první sériově vyráběný hybridní automobil (neuvěřitelných 63), který místo lithium-iontových baterií používá superkondenzátory.

Mnoho fyziků a inženýrů věří, že drží klíč k hromadné elektrické mobilitě spíše než lithium-iontové baterie. Sian je používá k ukládání elektřiny a v případě potřeby ji dodává svému malému elektromotoru.

Výhody superkondenzátorů

Superkondenzátory nabíjejí a uvolňují energii mnohem rychleji než většina moderních baterií. Kromě toho vydrží podstatně více cyklů nabíjení a vybíjení bez ztráty kapacity.

V případě Sianu superkondenzátor pohání 25 kilowattový elektromotor zabudovaný do převodovky. Může buď poskytnout další podporu 6,5litrovému spalovacímu motoru V12 o výkonu 785 koní, nebo řídit sportovní vůz samostatně při manévrování při nízké rychlosti, jako je parkování.

Vzhledem k tomu, že nabíjení je velmi rychlé, není nutné tento hybrid zapojovat do zásuvky nebo nabíjecí stanice. Superkondenzátory jsou plně nabité pokaždé, když vozidlo zabrzdí. Hybridní baterie mají také rekuperaci brzdné energie, ale je pomalá a pouze částečně pomáhá prodloužit elektrický dojezd.

Superkondenzátor má další velmi velký trumf: hmotnost. V Lamborghini Sian celý systém – elektromotor plus kondenzátor – přidává na hmotnosti pouhých 34 kilogramů. V tomto případě je nárůst výkonu 33,5 koní. Pro srovnání, samotná baterie Renault Zoe (s výkonem 136 koní) váží kolem 400 kg.

Nevýhody superkondenzátorů

Superkondenzátory mají samozřejmě i nevýhody oproti bateriím. Časem mnohem hůře akumulují energii – pokud Sian týden nejezdil, nezbývá v kondenzátoru žádná energie. Existují ale i možná řešení tohoto problému. Lamborghini spolupracuje s Massachusettským technologickým institutem (MIT) na vytvoření čistě elektrického modelu založeného na superkondenzátorech, slavném konceptu Terzo Millenio (třetího tisíciletí).

bst

Mimochodem, Lamborghini, které zaštiťuje koncern Volkswagen, není jedinou firmou, která v této oblasti experimentuje. Hybridní modely Peugeot používají superkondenzátory již léta, stejně jako modely Toyoty a Hondy s vodíkovými palivovými články. Čínští a korejští výrobci je instalují do elektrických autobusů a nákladních automobilů. A minulý rok Tesla koupila Maxwell Electronics, jednoho z největších světových výrobců superkondenzátorů, což je neklamné znamení, že alespoň Elon Musk věří v budoucnost této technologie.

Sedm klíčových faktů pro pochopení superkondenzátorů

1 Jak fungují baterie

Technologie baterií je jednou z věcí, které jsme dlouho považovali za samozřejmé, aniž bychom přemýšleli o tom, jak to funguje. Většina lidí si představuje, že při nabíjení jednoduše „nalijeme“ elektřinu do baterie, jako vodu do sklenice.

Ale baterie neskladuje elektřinu přímo, ale vyrábí ji pouze v případě potřeby chemickou reakcí mezi dvěma elektrodami a kapalinou (nejčastěji) oddělující je, nazývanou elektrolyt. Při této reakci se chemické látky v ní přeměňují na jiné. Během tohoto procesu vzniká elektřina. Po jejich úplné konverzi se reakce zastaví – baterie se vybije.

U dobíjecích baterií však může reakce nastat i opačným směrem – když je nabijete, energie spustí zpětný proces, který obnoví původní chemikálie. To se může opakovat stovky nebo tisícekrát, ale nevyhnutelně dochází ke ztrátám. Časem se na elektrodách hromadí parazitní látky, takže životnost baterie je omezená (typicky 3000 5000 až XNUMX XNUMX cyklů).

2 Jak kondenzátory fungují

V kondenzátoru nedochází k žádným chemickým reakcím. Kladné a záporné náboje jsou generovány výhradně statickou elektřinou. Uvnitř kondenzátoru jsou dvě vodivé kovové desky oddělené izolačním materiálem nazývaným dielektrikum.

Nabíjení je velmi podobné jako vtírání míče do vlněného svetru tak, aby se držel statickou elektřinou. V deskách se hromadí kladné a záporné náboje a oddělovač mezi nimi, který jim brání v kontaktu, je ve skutečnosti prostředkem akumulace energie. Kondenzátor lze nabít a vybít i milionkrát bez ztráty kapacity.

3 Co jsou superkondenzátory

Konvenční kondenzátory jsou příliš malé na to, aby ukládaly energii – obvykle se měří v mikrofaradech (milionech farad). To je důvod, proč byly v padesátých letech vynalezeny superkondenzátory. V jejich největších průmyslových variantách, vyráběných společnostmi jako Maxwell Technologies, dosahuje kapacita několik tisíc farad, tedy 1950-10 % kapacity lithium-iontové baterie.

4 Jak fungují superkondenzátory

Na rozdíl od běžných kondenzátorů zde není žádné dielektrikum. Místo toho jsou dvě desky ponořeny do elektrolytu a odděleny velmi tenkou izolační vrstvou. Kapacita superkondenzátoru se ve skutečnosti zvyšuje, když se plocha těchto desek zvětšuje a vzdálenost mezi nimi se zmenšuje. Pro zvětšení povrchu jsou v současnosti potaženy porézními materiály, jako jsou uhlíkové nanotrubice (tak malé, že se jich 10 miliard vejde na jeden čtvereční cm). Separátor může mít tloušťku pouze jedné molekuly s vrstvou grafenu.

Abychom pochopili rozdíl, je nejlepší si představit elektřinu jako vodu. Jednoduchý kondenzátor by pak vypadal jako papírový ručník, který dokáže absorbovat omezené množství. Superkondenzátor je v tomto případě kuchyňská houba.

5 baterií: klady a zápory

Baterie mají jednu podstatnou výhodu – vysokou hustotu energie, která jim umožňuje ukládat poměrně velké množství energie do malého zásobníku.

Mají však i mnoho nevýhod – velkou hmotnost, omezenou životnost, pomalé nabíjení a relativně pomalé uvolňování energie. K jejich výrobě se navíc používají toxické kovy a další nebezpečné látky. Baterie jsou účinné pouze v úzkém teplotním rozsahu, takže je často potřeba chladit nebo ohřívat, což snižuje jejich vysokou účinnost.

6 superkondenzátorů: klady a zápory

Superkondenzátory jsou mnohem lehčí než baterie, jejich životnost je nesrovnatelně delší, nevyžadují žádné nebezpečné látky, nabíjejí a uvolňují energii téměř okamžitě. Vzhledem k tomu, že nemají téměř žádný vnitřní odpor, nespotřebovávají energii ke svému fungování - jejich účinnost je 97-98%. Superkondenzátory pracují bez výrazných odchylek v celém rozsahu od -40 do +65 stupňů Celsia.

Nevýhodou je, že uchovávají podstatně méně energie než lithium-iontové baterie.

7 Nový obsah

Ani ty nejmodernější moderní superkondenzátory nemohou úplně vyměnit baterie v elektrických vozidlech. Mnoho vědců a soukromých společností však pracuje na jejich zlepšení. Například ve Velké Británii Superdielectrics pracuje s materiálem původně vyvinutým pro výrobu kontaktních čoček.

Skeleton Technologies pracuje s grafenem, alotropní formou uhlíku. Jedna vrstva o tloušťce jednoho atomu je 100krát pevnější než vysokopevnostní ocel a její pouhý 1 gram pokryje 2000 metrů čtverečních. Společnost instalovala grafenové superkondenzátory do konvenčních dieselových dodávek a dosáhla 32% úspory paliva.

Navzdory skutečnosti, že superkondenzátory stále nemohou úplně vyměnit baterii, dnes je ve vývoji této technologie pozitivní trend.

Otázky a odpovědi:

Jak funguje superkondenzátor? Funguje stejně jako vysokokapacitní kondenzátor. V něm se akumuluje elektřina vlivem statické elektřiny při polarizaci elektrolytu. Přestože se jedná o elektrochemické zařízení, nedochází k žádné chemické reakci.

K čemu je superkondenzátor? Superkondenzátory se používají pro skladování energie, spouštění motorů, v hybridních vozidlech, jako zdroje krátkodobého proudu.

Jak se liší superkondenzátor od různých typů baterií? Baterie je schopna sama vyrábět elektřinu chemickou reakcí. Superkondenzátor pouze akumuluje uvolněnou energii.

Kde se používá superkondenzátor? Nízkokapacitní kondenzátory se používají v zábleskových jednotkách (plně vybité) a v jakémkoli systému, který vyžaduje velký počet cyklů vybití/nabití.