Электрические автомобили: Ожившие и готовые к старту
Представьте себе революцию в транспорте имени Нулевой Эмиссии — по центру крупного города бесшумно мчатся сотни и тысячи электромобилей. Нигде не видно и не слышно автомобилей на «грязном» бензине и дизельном топливе (наверное они остались только у богатых коллекционеров в виде антиквариата «нефтяной» эпохи). Единственное, что вносит диссонанс в этот бесшумный мир электромобилей — это трамваи, которые тянут обычные лошади.
Вы удивлены наличием лошадей? Но ведь мы говорим о прошлом! Расцвет эры электромобилей закончился в 1912 годы, когда Кадиллак стал выпускать бензиновые двигатели со стартерным мотором. Теперь смешная заводная ручка ушла в прошлое, а автомобили смогли на одном баке горючего проехать 100 или больше миль. У электромобиля заряд батареи закончился бы раньше, чем вы бы доехали до выезда из города. Куда уж тут соревноваться, все видно как на ладони.
Но сейчас, в первом десятилетии 21-го века, дорога истории собирается сделать поворот. Климатические изменения вынуждают думать об электрифицированной экономике, где электромобили будут неотъемлемой и важной частью. Многие политики и ученые замечают, что наша зависимость от нефти и газа стала слишком опасной и призывают активно разрабатывать новые транспортные средства на электричестве и добыче электричества из возобновимых источников энергии.
Но что же сдерживает развитие электромобильной отрасли? Всего лишь ёмкость аккумуляторных батарей. Хотя человечество пользуется батареями более 200 лет, работать над их эффективностью ученые стали совсем недавно. Но все меняется очень быстро, так в мае этого года, американское правительство выделило 2 миллиарда долларов на разработку промышленных методов производства шеных аккумуляторов и 400 миллионов долларов на развитие электрификации транспорта.
«Используя новые методы компьютерного моделирования, инновационное мышление и эти денежные субсидии, мы готовы произвести революционные изменения в технологии аккумулирования энергии», сказал Дональд Садоуей, преподаватель Массачусетского университета.
Изменения? Это замечательно, но несколько запоздало. Современные кислотно-свинцовые батареи, использующиеся в современных автомобилях и грузовиках, не так далеко ушли от своей прародительницы — первой перезаряжающейся батареи, изобретенной французским физиком Гастоном Плантеом в 1859 году.
Все кислотно-свинцовые аккумуляторы, состоят из ячеек с двумя электродами сделанными из разных материалов, разделенными твердым или жидким электролитом проводящим заряженные ионы.
Под нагрузкой, электроны покидают отрицательный электрод (катод), создавая ионы(у кислотно-свинцового аккумулятора эти ионы окисляются, создавая диоксид свинца). И электроны двигаются к положительному электроду (анод), на котором происходит реакция противоположная катодной — реакция восстановления свинца. Желающие ознакомиться с принципом работы кислотно-свинцового аккумулятора, могут почитать статью из Википедии и статью про работу других типов аккумуляторов — Li-ion, NiMh, NiCd, Li-Pol.
Этот процесс обратим. Подав напряжение с обратной полярностью на аккумулятор, мы повернем вспять этот химический процесс и зарядим батарею.
В технологии аккумуляторных батарей было несколько комбинаций материалов для электродов, пока благодаря усилям компании Sony потребители не получили Литий-Ионные аккумуляторы. За два десятка лет жизни литий-ионной технологии емкость батарей удвоилась и по словам ученых в ближайшие 10 лет она утроится.
Компактность технологии Li-ion создает проблему сильного нагрева аккумуляторов при работе и зарядке и производители транспортных средств должны справиться с этой проблемой. Кроме того есть проблема производственного брака, из-за которого короткое замыкание в аккумуляторах может приводить к их возгоранию.
Есть еще одно большое препятствие — стоимость литий-ионных аккумуляторов.
Семейный электромобиль должен иметь дальность поездки на одной зарядке не менее
220 километров и стоить не более $25000. Для такого электромобиля потребуются аккумуляторы стоимостью не более $100 за ёмкость в 1 киловатт-час. И этого достигнуть с литий-ионной технологией нельзя. Хотя по оценкам аналитиков этой стоимости можно достичь, если улучшить технологию производства.
Производители электромобилей не мыслят себе свои детища без Литий-Ионных аккумуляторов, но вот пара новых подходов и идей в разарботке.
Дональд Садоуей из Массачусетского университета предложил использовать уравнение Шредингера, описывающее взимодействие электронов, протонов и нейтронов для моделирования батарей с электродами из разнообразных материалов. Нет времени чтобы проводить множество опытов над периодической таблицей элементов, поскольку комбинаций элементов — невообразимое множество. Описав же и заложив в компьютер данные мы сможем занчительно сузить область поисков удачного решения. Эта идея уже приносит свои плоды. Так в марте этого года Джербранд Сидер занимающийся изучением материалов и компьютерным моделированием их взаимодействия поразил научную общественность докладом про 100-кратное увеличение скорости заряда батареи при использовании в литий-ионной батарее катода из литиевого железного фосфата — иногда используемого в аккумуляторах электроприборов. Хотя плотность заряда в таких батареях пока слишком мала, чтобы использовать её для транспортных нужд, но этот результат демонстрирует возможности метода компьютерного моделирования.
ЧТО-ТО ТАКОЕ В ВОЗДУХЕ
Питер Брюс, исследующий системы хранения энергии в Университете Сан-Андрюс в Великобритании, более осмотрителен в прогнозах о возможных успехах компьютерного моделирования. "В принципе, вычислить можно что угодно, но вопрос в том, сможете ли вы учесть все детали. Этот метод интересен и увлекает, но это не единственная «игра в городе». Брюс играет в другой команде. Он и его единомышленники разрабатывают технологию «воздушных электродов». Вместо стандартного анода из окиси кобальта предлагается использовать особый вид пористого углерода. Кислород воздуха заполняет поры этого анода и вступает в реакцию в ионами лития, образуя окись лития. Анод из пористого углерода намного легче стандартных и стоимость энергии на килограмм аккумулятора выходит значительно ниже. В результате получается плотность энергии увеличивается в 8-10 раз.
И хотя Брюс и его команда пока далеки от промышленного внедрения своих разработок, но они уже получили опытные образцы и начали проведение опытов и тестов.
К сожалению, 98% денежных инвестиций направлены на улучшение Литий-Ионной технологии и лишь малая часть стимулирует новые направления исследований.
У записи нет меток.