Вчера с никелем и кадмием или свинцом, сегодня с литием, завтра, возможно, с использованием графена. Тяговые аккумуляторы для электромобилей развиваются в сторону большей легкости, автономности и чистоты.
Электроды и электролит
Чаще всего состоящая из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, тяговая батарея, управляемая электромобилем, накапливает и перераспределяет электроэнергию в соответствии с действием водителя на педали акселератора и тормоза.
При погружении в жидкость, гель или твердый электролит электроды — анод и катод — реагируют, создавая электрический ток. Этот электролит обеспечивает перенос электричества за счет ионной проводимости. В соответствии с техническим прогрессом его природа адаптирована для получения характеристик, которые лучше всего подходят для использования. Пакет состоит из нескольких тяговых батарей, которые сами состоят из одного или нескольких аккумуляторов, или элементов.
Свинцовые батареи
Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобилях более 150 лет в соответствии с первоначальной технологией, изобретенной французом Гастоном Планте в 1859 году. Первые испытания на электрическую тягу на транспортных средствах были проведены несколькими годами ранее с использованием аккумуляторов, которые не заряжались: в некотором роде, большие батареи.
Даже сегодня свинцово-кислотные батареи устанавливаются как в тепловые модели, так и в электрические, для питания оборудования и аксессуаров. Британские грузовики для доставки молока использовали эту технологию в своих двигателях на протяжении десятилетий. В качестве основного компонента тяговых цепей для электромобилей они устанавливались до начала 1990-х годов на классические модели, такие как Citroën AX и Peugeot 106, а затем были стерты с помощью никель-кадмиевой технологии. И если мы по-прежнему находим его на некоторых из этих машин, в основном потому, что в настоящее время это самое дешевое из решений для хранения энергии в химических аккумуляторах. Свинцовые электродные батареи, погруженные в жидкий или гелевый электролит, исчезают из электромобилей. Громоздкие, тяжелые, плохо выдерживающие глубокие разряды, они непригодны для современных требований к движению.
Свинцово-кислотный аккумулятор для электромобиля, который можно использовать в диапазоне температур от -20 до 60 C, не обладает эффектом памяти, но его необходимо заменять через 20 000–40 000 км, в зависимости от использования. Свинец, естественно присутствующий в природе, создает только загрязнение и проблемы со здоровьем в результате деятельности человека. Классифицируется как CMR (канцерогенный, мутагенный и репротоксический), он опасен для нервной и пищеварительной систем живых существ, которые могут легко проглотить его, если он загрязняет воду в виде неопределяемых частиц.
Никель-кадмиевые батареи
Сегодня ни один производитель автомобилей не предлагает электромобиль, оснащенный никель-кадмиевыми батареями. Это запрещено Европейской Директивой 2002/95/EC, касающейся ограничения использования определенных опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании, введенной в действие в июле 2006 года. В процессе был организован канал утилизации, который почти заставил бы вас пожалеть об исчезновении аккумуляторов с множеством качеств.
Надежные при правильном использовании и обслуживании, допускающие быструю подзарядку, они имеют долгий срок службы, который можно исчислить десятилетиями. Все просто: они изнашиваются только при использовании, в отличие от литиевых батарей. В разряженном состоянии они могут храниться очень долгие годы без повреждений. Это электромобили PSA (Citroën AX, Saxo и Berlingo, Peugeot 106 и Partner) и Renault (Express, Clio и Kangoo) поколения 1995-2005 гг., на которых было установлено около двадцати никель-кадмиевых блоков, произведенных во Франции компанией Saft.
Однако их открытие датируется 1899 годом шведским инженером Вальдемаром Юнгнером. Потому что на их разработку ушло более 50 лет! Приблизительно каждые 4000 км к элементам необходимо было добавлять деминерализованную воду после выполнения необходимого технического обслуживания, предназначенного для повышения уровня электролита в элементах. Без этой операции их смерть была почти неизбежна. Или, при отсутствии достаточного количества электролита, легким взрывом водорода, вызванным плавлением металлических пластин. Или по падению содержания калия, теряемого при первых последующих заправках. Эти батареи также испортились от внутренней температуры около 50 C.
Встраиваемые в тяговую цепь электромобиля, никель-кадмиевые батареи не любят «кормление из бутылочки», это действие, которое заключается в их подзарядке после возвращения из малейшего движения. Возникла временная потеря емкости, которую можно исправить, выполнив 2, 3 или 4 цикла заряда-разряда. Если Европа осудила эту технологию для использования в электромобилях, то это потому, что кадмий опасен для окружающей среды и токсичен для человека в газообразной форме, его соединения канцерогены и основной электролит — поташ — очень сильно разъедает кожу.
Натрий-никель-хлоридные батареи (Zebra)
Присутствуя в основе нескольких моделей электромобилей, разработанных производителями скромных размеров, аккумуляторы Zebra (африканский проект по исследованию цеолитовых аккумуляторов) использовались с конца 1990-х годов до самого недавнего времени в качестве альтернативы никель-кадмиевым технологиям. Речь шла о получении большей автономии. Имея гораздо более современную конструкцию, чем свинцовые или никель-кадмиевые аккумуляторные батареи Zebra не представляют особой экологической проблемы. Их внутренняя температура всегда должна поддерживаться между 270 и 350 C.
Фактически, автомобили с такими аккумуляторами приходилось подключать к электросети, когда они не использовались. Хотя в последние годы они отказались от легковых электромобилей, программы по разработке экологически чистых автобусов продолжали опираться на них.
Литий-металл-полимерные батареи (LMP)
Аккумуляторы LMP, производимые исключительно на заводе BatScap в Эрге-Габерике (Франция), дочерней компании группы Bolloré, являются одним из современных технологических вариантов, в которых литий используется для обеспечения электромобильности. Поэтому они устанавливаются на все электромобили, разработанные Blue Solutions, от Bluebus до Bluecar. Также на борту Citroën E-Méhari, который представляет собой не что иное, как Bluesummer, обновленный для PSA.
Bolloré довольно скупо сообщает о своей продукции, а это означает, что информация, которая в конечном итоге достигает пользователей Интернета, должна приниматься с определенной осторожностью. Более длительный срок службы, чем у более распространенных литий-ионных батарей, и более высокая безопасность использования (отсутствие риска теплового разгона) должны оправдать трудоустройство и развитие LMP.
В основе ячеек электроды разделены электролитом, состоящим из смеси соли лития и растворителя (полиоксиэтилена). Анод содержит металлический литий, катод состоит из оксида ванадия, углерода и полимеров. Блоки LMP вырабатывают электричество по тому же принципу, что и другие литиевые аккумуляторы. Во время разряда на аноде образуются ионы, которые поступают на катод. Электроны создаются в ответ, генерируя электрический ток.
Однако эта технология страдает серьезным недостатком, отдаленно напоминающим батареи Zebra, которые мы только что представили: LMP необходимо поддерживать при температуре около 60 C, что требует включения электромобиля в сеть, когда им не управляют. В противном случае батареи разрядятся менее чем за 3 дня. Режим зимовки возможен при длительном бездействии машин. После охлаждения необходимо оставить батарею заряжаться на более длительное время, чтобы элементы вернулись к своей рабочей температуре.
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы буквально наводнили рынок электромобилей в течение нескольких лет во всех видах оборудования, от велосипедов с вспомогательными системами до автомобилей.
Первые работы по этим аккумуляторам относятся к 1970-м годам благодаря исследователям, которые раскрыли весь полезный потенциал этого твердого и особенно легкого металла. Лишь в 1985 году, когда была произведена первая литий-ионная батарея, мы действительно смогли наблюдать преимущества этой технологии, среди которых высокое напряжение и отсутствие быстро разрушающего эффекта памяти.
Идеальный рабочий диапазон для литий-ионных аккумуляторов, от -20 до 65 C, способствовал их стремительному распространению. Соотношение плотности энергии, веса и цены делает их одними из лучших на рынке аккумуляторов. Неудивительно, что они встречаются в большинстве электромобилей, находящихся в настоящее время в автосалонах, включая Nissan Leaf и e-NV200, Peugeot iOn, Renault Zoé, Volkswagen e-Golf и e-up !, BMW i3, Tesla Model S и X, Smart Fortwo и Forfour ED…
Использование литий-ионных батарей вызвало несколько споров, включая их переработку и экологические проблемы при извлечении лития. Сейчас для их переработки есть несколько специализированных заводов по всему миру.
Литий, составляющий всего несколько килограммов в тяговом аккумуляторе, не изменяется и поэтому может использоваться снова. Но прежде чем отделить его от других элементов, таких как медь, кобальт, алюминий, железо и марганец, можно продолжать использовать эти батареи, например, для хранения электричества, полученного из возобновляемых источников энергии. Несколько производителей работают над этим вопросом, в том числе Nissan, который очень активно занимается этим.
Последний момент, который надолго запятнал имидж литий-ионных аккумуляторов, их опасное поведение в случае перезарядки — это тепловой разгон и его разрушительные эффекты. Действующая технология требует, чтобы мониторинг и управление этими аккумуляторами осуществлялись системой защиты, называемой BMS (система управления батареями), интегрированной в производственный процесс.
Литий-ионные полимерные батареи
Было подсчитано, что у литий-ионных полимерных аккумуляторов нет будущего в электромобилях, поэтому их оставили для изготовления моделей, а также для велосипедов с усилителем и электросамокатов. Они были занесены в каталог как «устаревшие», хотя их появление датируется только 1995 годом!
Kia Soul EV и Hyundai Ioniq свидетельствуют о превосходной плотности энергии этой технологии, а также о пониженной чувствительности к холоду на дальности.
В конце концов, их можно использовать в этих машинах благодаря их основным качествам: небольшому весу и возможности придавать блокам желаемую форму благодаря маневренности полимерного электролита.
Прочие и производные
Различные производители пробуют свои силы в других комбинациях. Речь идет о литий-титанатных, литий-железо-фосфатных, литий-воздушных батареях и т. д.
Некоторые примеры: китайский BYD e6 имеет литий-железные батареи, литий-железные полимерные блоки Bee-Bee. От графена ожидают многого, особенно получения относительно большой автономности. Фискер уже использовал это направление в своих разработках.
