Výrobci automobilů vkládají velké naděje do elektrických vozidel, přičemž hlavní výrobci jako GM přidávají do svých vozových parků několik modelů EV. Přesvědčit více spotřebitelů, aby přijeli na projížďku, bude vyžadovat baterie pro elektromobily, které se vyrovnají nebo převyšují výkon a spolehlivost známého spalovacího motoru. Pochopení současného stavu baterií elektrických vozidel, nových technologií na obzoru a toho, jak dnešní inženýři testují bateriové články, moduly a sady zítřka, nám pomáhá předvídat a plánovat budoucnost elektrických vozidel.
Přečtěte si související články v nejnovějším vydání NI Automotive Journal, kde se dozvíte více o nejnovějších testovacích trendech a inovacích v automobilovém průmyslu.
Jaké typy baterií se používají v elektrotechnice
Auta?
Většina moderních elektromobilů používá tisíce lithium-iontových baterií, které spolupracují k napájení motoru a dalších součástí. To, co spotřebitelé často označují jako „baterie“ v autě, je v automobilovém průmyslu obvykle známé jako baterie. Každé balení se skládá z modulů, které se zase skládají z jednotlivých článků. Někteří výrobci automobilů přijímají strategii Cell to Pack, kde zcela eliminují fázi modulů a integrují buňky přímo do sady. Celá sestava baterie je srdcem elektrického vozidla.
Jak fungují lithium-iontové baterie?
Základními součástmi lithium-iontové baterie jsou katoda, anoda, elektrolyt, separátor a sběrač proudu. Energetické ionty lithia putují od anody ke katodě přes elektrolyt a separátor a uvolňují volné elektrony. Výsledkem je náboj, který je dodáván do sběrače proudu a používán k napájení vozidla.
Výhody lithium-iontových baterií
Existuje několik důvodů, proč jsou lithium-iontové články (zkráceně Li-ion) preferovanými bateriemi pro elektromobily:
- Dokážou uchovat velké množství energie. Atomy lithia jsou velmi reaktivní a to z nich dělá dobré možnosti pro pohon vozidla.
- Jsou dobíjecí. Elektromobily jsou praktické pouze tehdy, když je můžete v noci zapojit a ráno na vás čeká plně nabitá baterie. Lithium-iontové baterie to poskytují a dokonce se lidem na cestách dokážou poměrně rychle dobít.
- Li-ion baterie jsou lehčí než alternativy. I když v žádném případě (kombinovaná hmotnost článků je často přes 1,000 XNUMX liber), tyto baterie mají na svou váhu hodně energie.
Nevýhody lithium-iontových baterií
Lithium-iontové baterie přicházejí s omezeními a problémy, včetně:
- jsou drahé. Cena baterie tvoří značné procento z ceny vozu. To je způsobeno obtížností těžby lithia, niklu, kobaltu a manganu – všech nezbytných prvků baterie. Levnější alternativa by pravděpodobně učinila elektromobily dostupnějšími.
- Mají omezenou životnost. Podle J.D.Power by baterie EV měly vydržet 10-20 let. Když však zemře, majiteli zůstane drahý návrh: utratit tisíce dolarů za výměnu baterie nebo se pokusit prodat auto, které nejede. Toto omezení může také ovlivnit hodnotu při dalším prodeji elektrických vozidel, která stále běží, protože kapacita nabíjení se časem snižuje.
- Požáry jsou vzácné, ale možné. Pravděpodobně jste viděli záběry elektrických aut v plamenech po přehřátí baterie. I když to není běžné, bezpečnější baterie, která je méně náchylná k tepelnému úniku, je pro konstruktéry EV cílem zdravého rozumu.
Úzkost z dojezdu a dnešní elektromobily
Jedním z hlavních faktorů, které brání přijetí elektrických vozidel, je počet kilometrů, které mohou ujet mezi nabitími. Představa, že vám dojde šťáva daleko od nabíjecí stanice, vyvolala „úzkost z dojezdu“. Výrobci automobilů se na to zaměřili a mnoho dnešních elektromobilů dokáže ujet stovky kilometrů na jedno nabití, srovnatelné s vozidly na plyn.
Počátkem roku 2023 je podle Cars.com elektrickým vozidlem s největším dojezdem Lucid Air na 516 mil. S cenou kolem 155,000 XNUMX $ si však přístup k tomuto pokročilému výkonu může dovolit jen málokdo.
Nová technologie baterií EV na obzoru
Průlomové objevy, které zlepšují výkon nebo snižují náklady na baterie pro elektromobily, by mohly přesvědčit mnoho spotřebitelů, aby přešli na ekologičtější vozidla. Existuje také přání zákazníků a výrobců snížit dopad těžby prvků, které se v současnosti používají v Li-ion článcích na životní prostředí. Zde jsou některé z nejslibnějších kandidátů na výměnu lithium-iontových baterií v autech:
- Lithium-Sirné baterie: Podle Argonne National Laboratory má konstrukce baterie, která využívá kladnou katodu obsahující síru, zápornou lithiovou anodu a elektrolytické médium, potenciál díky přirozenému množství síry a její schopnosti uchovat více energie než tradiční Li- iontové buňky. Úspěšná baterie LI-S by byla levnější a nabídla by větší dojezd, než jaký dnes používá většina řidičů EV. Bohužel, běžný roztok elektrolytu rychle koroduje sirnou elektrodu, takže je prozatím komerčně neživotaschopná.
- Polovodičové baterie: Polovodičová baterie má podobnou konstrukci jako lithium-iontová baterie. Používá však spíše pevný elektrolyt než kapalné nebo gelové médium. Může se to zdát jako nepatrný rozdíl, ale může přinést velké výhody. PopSci.com poznamenává, že polovodičové baterie jsou menší, lehčí, mají vyšší hustotu energie, nabízejí rychlejší dobíjení a je u nich menší pravděpodobnost přehřátí než u jejich Li-ion protějšků. Proč se v dnešních EV nepoužívají polovodičové baterie? V současné době není na trhu žádná polovodičová baterie dostupná pro komerční použití v automobilech. Pevné baterie navzdory svým potenciálním výhodám čelí řadě problémů. Za prvé, výroba polovodičových baterií ve velkém měřítku je složitý proces, který vyžaduje přesnou kontrolu nad materiály a podmínkami, což ztěžuje efektivní výrobu těchto baterií. Kromě toho hraje významnou roli nákladový faktor; polovodičové baterie jsou v současnosti mnohem dražší než tradiční lithium-iontové baterie, což přispívá k již tak vysoké ceně elektromobilů. Pokud jde o vyspělost, technologie polovodičových baterií je stále v rané fázi vývoje. I když slibují delší dojezd, kratší dobu nabíjení a vylepšenou bezpečnost, žádný výrobce zatím tyto aspekty úspěšně nesplnil bez značných kompromisů. A konečně, problémy s integrací vyvstávají při pokusu o začlenění polovodičových baterií do stávajících návrhů EV. Tyto baterie často vyžadují konstrukční úpravy nebo přidání nových součástí do vozidla. I tak je technologie stále jedním z nejpravděpodobnějších pokroků v oblasti baterií, který si najde cestu do budoucí generace elektromobilů.
- Sodno-iontové baterie: Na-iontový článek posílá atomy sodíku z katody sodíku a železa na uhlíkovou anodu, přičemž cestou prochází elektrolytem a separátorem. Výhodou je zde eliminace nákladného lithia ve prospěch sodíku, mnohem levnějšího a praktičtějšího prvku pro hromadnou výrobu. Hlavní překážkou přijetí v tomto bodě je omezená energetická kapacita ve srovnání s Li-ion bateriemi. Překonání této bariéry by mohlo učinit z Na-iontových článků skutečnou konkurenci jejich lithiových protějšků.
- Lepší lithium-iontová baterie: Nová technologie baterií EV může přijít spíše ve formě postupného vylepšení než velkého posunu v chemii a designu. Lithium-železofosfátové baterie neboli LFP nahrazují vzácný a drahý nikl a kobalt používané v Li-ion katodách železem. Podle CNN.com je díky tomu výroba článku levnější. Existují také výhody výkonu, jako je delší životnost a nižší pravděpodobnost přehřátí. Některé automobilové společnosti již dnes používají LFP, i když Li-ion baterie mohou stále poskytovat větší dosah.
Testování baterií elektrických vozidel
Uvedení nové technologie baterií pro elektromobily na trh je dlouhý proces, který začíná návrhem, konstrukcí a testováním. Výrobci chtějí zlepšit výkon, udržitelnost a bezpečnost, a to vše při práci ve vysoce regulovaném automobilovém průmyslu.
Pomoc výrobcům vybudovat lepší laboratoř pro testování baterií EV je klíčem k cílům NI v odvětví dopravy.
