Доступ к сервису временно запрещён
С вашего IP-адреса одновременно поступает очень много запросов.
Такое поведение показалось подозрительным, поэтому мы временно закрыли доступ к сайту.
Возможно, на вашем устройстве есть программы, которые отправляют запросы без вашего ведома.
Что мне делать?
Напишите в службу поддержки через форму обратной связи.
Подробно опишите ситуацию — поможем разобраться, что случилось, и подскажем, как действовать дальше.
Батарейка на колесах: будущее аккумуляторов электромобилей
Об эксперте: Олег Клявин, главный конструктор компании Change Mobility Together (ООО «Центр технологического консалтинга»), разработчик электромобилей.
Много электромобилей — много батарей
По данным Международного энергетического агентства (IEA) [1], в мире эксплуатируется 16 млн электромобилей, а к 2030 году их станет уже около 250 млн. В России сейчас около 25 тыс. электромобилей и более тысячи электробусов. Пока в стране выпускаются только электробусы, но в соответствии с «Концепцией по развитию производства и использования электроавтомобильного транспорта в РФ до 2030 года» [2], утвержденной Правительством РФ в августе 2021 года, к 2030 году в России ежегодно должно производиться около 220 тыс. электрокаров. Для них будет создана необходимая инфраструктура, и часть ее — это заводы по переработке отработанных аккумуляторов.
Зачем перерабатывать батареи?
Средняя батарея электромобиля, проезжающего 20 тыс. км в год, может прослужить от 10 до 20 лет. К 2025 году, по данным Bloomberg [3], по всему миру более 3,4 млн аккумуляторных блоков электромобилей «выйдут на пенсию». Почему их нельзя просто утилизировать?
Современный подход к производству должен строиться на принципах «зеленой» экономики. Все, что производится, должно перерабатываться, становиться вторсырьем, а не мусором. Международные стандарты устанавливают такие требования и для электротранспорта: каждый элемент в перспективе будет переработан, и аккумуляторы — не исключение.
В электромобилях используются литий-ионные батареи в различных их модификациях. Но в среднем в каждом аккумуляторе 95–96% — это возвращаемое сырье, которое можно повторно использовать в производстве.
Один аккумулятор в среднем содержит 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальта. Это редкие металлы, запасы которых в мире ограничены, а потребность в условиях развития цифровых технологий с каждым годом будет только нарастать. Поэтому возвращение сырья из отработанных батарей — это экономически выгодно.
Кроме того, «захоронение» аккумуляторов на свалках — это прямая угроза экологии, которая непременно возникнет при прогнозируемом темпе распространения электротранспорта. Также нельзя не учитывать, что первичная добыча элементов для производства аккумуляторов — сложный, энерго- и ресурсоемкий процесс, который также не проходит бесследно для экосистем. Поэтому переработка — единственный экологичный вариант утилизации полностью отработавших свой ресурс аккумуляторов.
Переработка — это сложно?
В настоящее время в мире используются технологии переработки, основанные на принципе разрушения и измельчения элементов батарей. Однако такой процесс достаточно энергоемкий, а качество восстановленного сырья низкое. Для роста эффективности ресайклинга необходимо демонтировать аккумуляторы до набора отдельных батарейных модулей. И здесь кроется главная проблема — отсутствие стандартизации конструкций.
По международным стандартам каждый элемент должен перерабатываться, но нынешние батареи для электромобилей создаются производителями в конфигурациях разной технической и химической сложности. Они не оптимизированы для легкой разборки ни вручную, ни автоматизированно. Поэтому в ближайшем будущем потребуется создание единого стандарта или маркировки, которые позволят упростить и роботизировать процесс переработки аккумуляторов — так повысится его экономическая эффективность. Сейчас крупные автоконцерны решают это проблему, налаживая переработку аккумуляторов на своих заводах. Например, Volkswagen в 2021 году запустил завод по переработке аккумуляторов в Зальцгиттере. А годом ранее Tesla начала перерабатывать 100% батарей, создав на своих заводах по производству аккумуляторов перерабатывающую линию. Nissan совместно с Sumitomo Corporation основал компанию 4R Energy, которая занимается переработкой батарей от электромобилей производителя.
Переработкой литий-ионных аккумуляторов во всем мире занимается около сотни компаний. Это небольшие лаборатории, профильные и непрофильные организации, а также промышленные предприятия. Но все же наибольшую эффективность показывают автоконцерны, которые создают под свои аккумуляторы отдельные заводы или цеха.
Такой же путь предстоит пройти России. И он уже начат: о планах по запуску промышленной переработки литий-ионных аккумуляторов заявил «Росатом» — завод в Дзержинске планируется открыть к 2024 году. К этому моменту, следуя планам Правительства, в России уже вероятнее всего будет запущено серийное производство российских электромобилей. Поскольку инфраструктура развивается параллельно с производством, появляется возможность с нуля создать наиболее оптимальные для быстрой переработки аккумуляторов конструкции.
Срок службы закончился — и сразу в переработку?
Через 10–15 лет эксплуатации в электромобиле батарея начинает терять значения емкости, и ее требуется заменить. Но дальше аккумуляторы могут получить «вторую жизнь» в качестве систем накопителей энергии — это еще около 10 лет эксплуатации.
Во всем мире такие накопители из отработанных электромобильных аккумуляторов начинают использоваться для хранения энергии на солнечных или ветровых электростанциях, в системах городского освещения и так далее. Аккумуляторы могут быть полезны и в быту. Особенно это актуально для стран, где существует разница в дневном и ночном тарифах на электроэнергию: заряженная в ночное время батарея питает дом в течение дня и экономит до 50% платы за электроэнергию. Поскольку одна батарея способна обеспечить 18 мВт·ч электрической нагрузки, срок ее эксплуатации в доме составит более 15 лет. В России также обсуждается создание в будущем «умной» системы энергоснабжения — smart grid. В соответствии с ней избыточную энергию можно будет отдавать обратно в сеть.
Жизненный цикл электромобильного аккумулятора составляет 20–25 лет. Он включает в себя повторную эксплуатацию в качестве накопителя энергии, а после — переработку. Это базовый принцип «зеленого» производства, которого придерживаются разработчики электромобилей — самого экологичного на данный момент транспорта.
Аккумуляторы для электромобилей: какими они будут в будущем?
Перевели для вас интересную публикацию о тенденциях в развитии батарей для электромобилей, которую сотрудники Бирмингемского университета старший преподаватель химии Симон Коттон и профессор химии материалов Питер Райманд Слэтер подготовили для издания The Conversation. Они в очень краткой и доступной форме объяснили, где мы находимся сейчас и над какими вариантами развития технологии работают ученые всего мира.
В большинстве электромобилей сегодня используются литий-ионные батареи, но у них есть ряд ограничений. Ученые и инженеры ищут решения, которые могли бы помочь ускорить переход автомобилей на электричество.
Литий-ионные батареи впервые были выведены на рынок компанией Sony в 1991 году и стали наиболее распространенными перезаряжаемыми батареями в транспортных средствах, а также в мобильных телефонах и ноутбуках. Они эффективны и имеют длительный срок службы — от 15 до 20 лет, что примерно в три раза больше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. Литий-ионные батареи накапливают больше энергии, а также намного легче, а это означает, что автомобиль, оснащенный такой батареей, потребляет меньше энергии для движения.
Батареи генерируют энергию, перемещая заряженные частицы, называемые ионами, вперед и назад между двумя электродами. Когда аккумулятор заряжен, ионы лития переходят от электрода из оксида металла к графитовому электроду. При разрадке для питания автомобиля, ионы лития уходят в другую сторону, заставляя электроны течь в подключенной электрической цепи.
Будущее аккумуляторов электромобилей
Чтобы удешевить литий-ионные батареи, ученые из Университета штата Пенсильвания в США изучают литий-железо-фосфатные батареи, в которых используются различные электродные элементы. Эта модель батареи намного дешевле и безопаснее, чем широко используемые литий-никель-марганцево-оксидно-оксидные батареи. Потенциально они смогут всего за 10 минут набирать достаточный заряд для обеспечения запаса хода автомобиля в 400 км.
Проблема увеличения запаса хода авто побуждает автопроизводителей разрабатывать батареи, в которых используется твердый компонент, разделяющий электроды, а не жидкий. Они более безопасны и могут обеспевичать запас хода более 500 км от одной зарядки.
Но у литиевых батарей есть проблема. Литий — относительно редкий элемент на Земле по сравнению с большинством обычных минералов. По мере роста спроса на аккумуляторы цена на литий резко вырастет. Это побудило геологов искать новые источники лития по всему миру. Но часто добыча на них оказывается довольно затратной. Например, добыча лития на солончаках в Чили требует большого количества воды, которой там не хватает. Кобальта также мало по сравнению с аналогичными металлами, такими как железо, а руды, из которых получают кобальт, сосредоточены в политически нестабильном регионе Конго в Африке.
Одним из решений может быть более эффективное использование того, что у нас уже есть. В 2017 году по всему миру было продано более миллиона электромобилей, и их число быстро растет. Ученые ищут решение по эффективной переработке лития в массовых масштабах. Есть мнение, что для этого могут использоваться бактерии.
В будущем будет важно разработать батареи, которые можно было бы легко разобрать, чтобы повторно использовать содержащиеся в них металлы. При этом не стоит забывать, что литий является очень реактивным металлом, что создает проблемы для работы с ним.
Потенциальные альтернативы литию существуют. Например, натрий — ионные аккумуляторы вызывают интерес у производителей электромобилей из-за их более низкой стоимости. Они работают так же, как литий-ионные батареи, но натрий тяжелее и хранит меньше энергии.
В более отдаленном будущем должны появиться мультивалентные батареи, в которых ион, который движется между электродами, имеет больший заряд, чем литий, и поэтому доставляет в цепь более одного электрона каждый. При разработке таких батарей ученые столкнулись с рядом серьезных проблем, но потенциально они могут обеспечить еще больший запас энергии.
Создание достаточного количества электромобилей по цене, дешевле, чем альтернативы, работающие на ископаемом топливе, является серьезной проблемой. Ученые, работающие в авангарде исследований аккумуляторов могут произвести революцию в развитии транспорта.
Что нужно знать о батарее электромобиля?
Рассказываем, как устроен самый дорогой узел электрокара.
Рассказываем, как устроен самый дорогой узел электрокара.
Батарея – это дорогостоящий компонент электрокара. Она является главным источником энергии, который приводит машину в движение. Именно от батареи зависит стоимость автомобиля на электротяге и дальность его хода. Как же устроен самый сложный узел электромобиля, как долго он может прослужить и как правильно его эксплуатировать?
Чем обусловлена высокая стоимость батареи?
В 2010 году, когда электромобили только начинали пробиваться на рынок, каждый «батарейный» кВт/ч стоил примерно 1200 долларов, что многократно дороже, чем энергия, которую он запасал. За двенадцать лет развития аккумуляторных технологий цена хранения электроэнергии снизилась до 150 долларов. Более того, этот параметр будет дешеветь на 10-15% каждый год. Несмотря на это, в цене электрокара именно доля батареи остается самой высокой.
Дороговизна батареи обусловлена несколькими причинами:
- Размер. Аккумуляторная сборка электромобиля, дальность хода которого составляет 350 километров, весит около 500 килограммов.
- Почти на 90% этот узел состоит из мощных электропроводящих шин и дорогих аккумуляторных ячеек – в их производстве используются редкие химические элементы, цветные и драгоценные металлы.
- Каждая батарея имеет множество электронных блоков и датчиков, цепи защиты и контур терморегулирования.
Для чего электромобилю нужна высоковольтная батарея?
Тяговая батарея электромобиля отличается от автомобильного аккумулятора рабочим напряжением. Вместо 12 В (или 24 В у грузовых авто) даже у первых электрокаров оно измерялось сотнями вольт. Сегодня 350-450 В – стандартное напряжение. У дорогих моделей оно выше, например, у Porsche Taycan достигает 800 В, а электрическая платформа электрогрузовиков базируется на 1200- или 1600-вольтовой системе.
Высоковольтная система позволяет запасти намного больше энергии на единицу массы батареи. Если сложить батарею обычного электромобиля из простых автомобильных аккумуляторов, для их перевозки понадобится грузовик. Кроме того, токи в высоковольтной системе при той же мощности двигателя ниже – значит, можно использовать более тонкие провода для экономии массы.
Какие ячейки используют в батареях электрокаров
В отличие от автомобильных аккумуляторов, ячейки батарей для электрокаров не содержат электролит или заменяющий его гель. По своему наполнению они похожи на обычные батарейки для гаджетов.
Первые электромобили оснащали никель-металлгидридными (Ni-MH) аккумуляторами. Они позволяли запасти до 300 Вт/ч. Но на практике удавалось использовать лишь пятую часть их возможностей. Им на смену пришли литий-ионные элементы, которые долгое время считали невыгодными из-за высокой стоимости. Но только они могли обеспечить реальную удельную энергоемкость на уровне 100-250 Вт·ч/кг.
Компания Tesla начала использовать цилиндрические Li-Ion ячейки формата 18650 (немного больше батареек АА), которые предназначались для батарей для ноутбуков. В Tesla Model S они собраны в шестнадцать 25-вольтовых модулей.
Японские производители предпочитают аккумуляторные элементы плоской формы, которые специально разработаны для электромобилей, – их удобнее собирать в пакеты необходимой емкости. Европейские выбирают еще более технологичные ячейки, которые имеют форму брусков.
Технология производства литий-ионных ячеек уже достаточно отработана крупными компаниями из Китая, Японии и Южной Кореи. Более подробно о них можно почитать в статье «Топ-5 производителей аккумуляторных батарей для электромобилей».
Отметим, что Li-Ion – это общее название разных по составу аккумуляторов:
- Литий-кобальтовые – обеспечивают самую высокую энергоемкость, но взрывоопасны и токсичны.
- Литий-марганцевые – запасают меньше энергии и перестают работать при температуре -10℃.
- Литий-железо-фосфатные – наиболее стабильные, обладают нормальной энергоемкостью и работают даже при -30℃.
- Графен-полимерные и литий-серные пока на стадии разработки. Они позволят достичь еще большей энергоемкости и скорости заряда.
Как электроника управляет батарей
Тяговая батарея представляет собой матрицу из соединенных друг с другом элементарных низковольтных ячеек. Их зарядкой и разрядкой занимается целая сеть микропроцессоров на разных уровнях матрицы.
Так, каждая аккумуляторная ячейка оснащена одним или парой датчиков температуры и собственным контроллером, которые отвечают за безопасные токовые режимы, защиту от перенапряжения, перегрева и т.д.
За зарядку блока из десятка или сотен ячеек отвечает контроллер BMU. Он балансирует токи между последовательно и параллельно соединенными аккумуляторными элементами.
Центральный контроллер BMS отвечает за общее управление и распределение энергии в зависимости от типа зарядки (медленная, обычная, быстрая или сверхбыстрая). Он также следит за оптимальным распределением нагрузки на все модули.
Как электроника защищает батарею и людей
Вышеназванные блоки управления контролируют не только ячейки АКБ, но и всю электрическую сеть, которая соединяет элементы. Если одна ячейка дает сбой, система управления снижает на нее нагрузку или вовсе перестанет заряжать, чтобы исключить даже минимальный риск внутреннего повреждения батареи.
Электроника также контролирует силовые цепи электрокара. При внештатных отклонениях в приводе или при утечках токов мощные реле разрывают цепи. От короткого замыкания защищают классические предохранители. Физическое состояние всех критически важных соединений отслеживается по сквозной шине контроля разъемов. Также применяются датчики удара, которые защищают от поражения током при аварии. При их срабатывании с цепей снимается напряжение.
Корпус батареи
У большинства автомобилей на электротяге батарея похожа на плиту и расположена под полом салона. Таким образом удобно делать модульные батареи, которые отличаются весом, емкостью, размером, стоимостью, но взаимозаменяемые в рамках одной электрической платформы.
Такая компоновка требует повышенной прочности корпуса батареи. Поэтому ее конструируют таким образом, чтобы она выдерживала сильные удары со всех сторон. Днище АКБ тоже должно обеспечивать герметичность и противостоять ударам, например, от летящих камней. Поэтому батарея – самый прочный элемент электромобиля.
Добавьте к этому гидрозащиту, систему патрубков, набор специальных защищенных высоковольтных разъемов, крепеж к кузову, который у некоторых моделей делает батарею частью силовой структуры электромобиля, и простая «коробочка для аккумуляторов» становится техношедевром, который делается по специальной технологии из высокопрочных алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.
Эксплуатация батареи
Батарея электрокара, как и любой другой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор, по мере использования теряет свою емкость. Это естественный процесс. Из статьи «Деградация батареи. Можно ли избежать?» вы узнаете, как продлить срок службы АКБ.
На ресурс батареи негативно влияют:
- Частое применение скоростных ЭЗС мощностью более 100 кВт/ч. Это отличный вариант для подзарядки в дороге, когда всего за 30-40 минут можно восстановить запас хода до 200 километров. Но для аккумуляторных ячеек зарядка сверхинтенсивными токами – стресс. Для регулярной зарядки рекомендовано использовать станции мощностью до 22 кВт/ч. Такие можно установить в гараже, во дворе или на подземном паркинге.
- Работа при сильно отрицательных температурах. Зимой лучше оставлять электрокар в гараже, подключенным к ЭЗС до самого выезда, а накануне включать по таймеру подогрев от электросети.
- Регулярная подзарядка до 100%.
За последние десять лет батареи подешевели в три раза, а их емкость возраста в разы. Но они все еще остается самыми дорогостоящими компонентами электрокаров. Немалая доля в стоимости АКБ приходится на корпус, который отличается высокой прочностью и довольно сложный в изготовлении.
Распределением энергопотоков внутри батареи занимается сложная система с большим количеством температурных датчиков и контроллеров. Под контролем находится каждая ячейка, модуль, участок цепи и вся батарея в целом.
Изнашивается батарея так же, как и любой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор. Большинство производителей дают гарантию на ее работу восемь лет или 160 000 километров пробега. Как долго прослужит батарея зависит от того, как вы будете ее заряжать.