Могат ли суперкондензаторите да заменят батериите в електрическите превозни средства?

Електрическите автомобили и хибридите са здраво вкоренени в съзнанието на съвременния шофьор като нов кръг в еволюцията на автомобилите. В сравнение с моделите, оборудвани с ICE, тези превозни средства имат своите предимства и недостатъци.

Предимствата винаги включват тиха работа, както и липсата на замърсяване по време на пътуването (въпреки че днес създаването на една батерия за електрическа кола замърсява околната среда повече от 30 години експлоатация на един дизелов двигател).

Основният недостатък на електрическите превозни средства е необходимостта от зареждане на батерията. Във връзка с това водещите производители на автомобили разработват различни опции за това как да увеличите живота на батерията и да увеличите интервала между зарежданията. Една от тези опции е използването на суперкондензатори.

Помислете за тази технология, като използвате примера на нова автомобилна индустрия - Lamborghini Sian. Какви са предимствата и недостатъците на това развитие?

Ново на пазара на електрически превозни средства

Когато Lamborghini започне да пуска хибрид, можете да бъдете сигурни, че това няма да е просто по -мощна версия на Toyota Prius.

Sian, дебютът на италианската компания за електрификация, е първият сериен хибриден автомобил (невероятните 63), който използва суперкондензатори вместо литиево-йонни батерии.

Много физици и инженери смятат, че те са ключът към масовата електрическа мобилност, а не литиево-йонните батерии. Сиан ги използва, за да съхранява електричество и, ако е необходимо, да го захранва към малкия си електрически мотор.

Предимствата на суперкондензаторите

Суперкондензаторите се зареждат и освобождават енергия много по-бързо от повечето съвременни батерии. Освен това те могат да издържат на значително повече цикли на зареждане и разреждане, без да губят капацитет.

В случая на Sian, суперкондензаторът задвижва електрически мотор с мощност 25 киловата, който е вграден в скоростната кутия. Той може или да осигури допълнителен тласък на 6,5-литровия двигател с вътрешно горене V12 от 785 конски сили, или да кара самостоятелно спортната кола по време на маневри с ниска скорост, като паркиране.

Тъй като зареждането е много бързо, не е необходимо този хибрид да се включва в стенния контакт или станцията за зареждане. Суперкондензаторите се зареждат напълно при всяко спиране на автомобила. Батерийните хибриди също имат възстановяване на спирачната енергия, но това е бавно и само частично помага за разширяване на електрическия обхват.

Суперкондензаторът има още един много голям коз: тегло. В Lamborghini Sian цялата система – електрическият мотор плюс кондензаторът – добавя само 34 килограма към теглото. В този случай увеличението на мощността е 33,5 конски сили. За сравнение, само батерията на Renault Zoe (със 136 конски сили) тежи около 400 кг.

Недостатъци на суперкондензаторите

Разбира се, суперкондензаторите имат и недостатъци в сравнение с батериите. С течение на времето те натрупват енергия много по-лошо - ако Сиан не е карал една седмица, в кондензатора няма останала енергия. Но има и възможни решения на този проблем. Lamborghini работи с Масачузетския технологичен институт (MIT) за създаването на чисто електрически модел, базиран на суперкондензатори, известната концепция Terzo Millenio (третото хилядолетие).

BST

Между другото, Lamborghini, която е под егидата на Volkswagen Group, не е единствената компания, която експериментира в тази област. Хибридните модели на Peugeot използват суперкондензатори от години, както и моделите с водородни горивни клетки на Toyota и Honda. Китайски и корейски производители ги монтират в електрически автобуси и камиони. А миналата година Tesla купи Maxwell Electronics, един от най-големите производители на суперкондензатори в света, сигурен знак, че поне Илон Мъск вярва в бъдещето на технологията.

7 ключови факта за разбиране на суперкондензаторите

1 Как работят батериите

Технологията на батериите е едно от нещата, които отдавна приемаме за даденост, без да се замисляме как работи. Повечето хора си представят, че при зареждане ние просто „наливаме“ електричество в батерията, като вода в чаша.

Но батерията не съхранява електричество директно, а само го генерира, когато е необходимо чрез химическа реакция между два електрода и течност (най-често), която ги разделя, наречена електролит. При тази реакция химикалите в него се превръщат в други. По време на този процес се генерира електричество. Когато се преобразуват напълно, реакцията спира - батерията се разрежда.

При акумулаторните батерии обаче реакцията може да протече и в обратна посока – когато я заредите, енергията започва обратния процес, който възстановява първоначалните химикали. Това може да се повтори стотици или хиляди пъти, но неизбежно има загуби. С течение на времето върху електродите се натрупват паразитни вещества, така че животът на батерията е ограничен (обикновено 3000 до 5000 цикъла).

2 Как работят кондензаторите

В кондензатора не протичат химически реакции. Положителните и отрицателните заряди се генерират изключително от статично електричество. Вътре в кондензатора има две проводими метални пластини, разделени от изолационен материал, наречен диелектрик.

Зареждането е много подобно на триенето на топка във вълнен пуловер, така че да залепне със статично електричество. Положителните и отрицателните заряди се натрупват в плочите, а сепараторът между тях, който им пречи да влязат в контакт, всъщност е средство за съхранение на енергия. Кондензаторът може да се зарежда и разрежда дори милион пъти без загуба на капацитет.

3 Какво представляват суперкондензаторите

Конвенционалните кондензатори са твърде малки, за да съхраняват енергия - обикновено се измерват в микрофаради (милиони фаради). Ето защо през 1950-те години на миналия век са изобретени суперкондензаторите. В най-големите им индустриални варианти, произведени от компании като Maxwell Technologies, капацитетът достига няколко хиляди фарада, тоест 10-20% от капацитета на литиево-йонна батерия.

4 Как работят суперкондензаторите

За разлика от конвенционалните кондензатори, няма диелектрик. Вместо това двете плочи са потопени в електролит и са разделени от много тънък изолационен слой. Капацитетът на суперкондензатора всъщност се увеличава, тъй като площта на тези плочи се увеличава и разстоянието между тях намалява. За да се увеличи повърхността, те в момента са покрити с порести материали като въглеродни нанотръби (толкова малки, че 10 милиарда от тях се побират в един квадратен см). Разделителят може да бъде с дебелина само една молекула със слой от графен.

За да разберете разликата, най-добре е да мислите за електричеството като за вода. Тогава един обикновен кондензатор би бил като хартиена кърпа, която може да поеме ограничено количество. Суперкондензаторът е кухненската гъба в примера.

5 батерии: плюсове и минуси

Батериите имат едно съществено предимство - висока енергийна плътност, което им позволява да съхраняват относително големи количества енергия в малък резервоар.

Те обаче имат и много недостатъци - голямо тегло, ограничен живот, бавно зареждане и относително бавно освобождаване на енергия. Освен това за производството им се използват токсични метали и други опасни вещества. Батериите са ефективни само в тесен температурен диапазон, така че често трябва да се охлаждат или нагряват, което намалява тяхната висока ефективност.

6 суперкондензатори: плюсове и минуси

Суперкондензаторите са много по-леки от батериите, животът им е несравнимо по-дълъг, не изискват опасни вещества, зареждат и освобождават енергия почти моментално. Тъй като нямат почти никакво вътрешно съпротивление, те не консумират енергия, за да функционират - ефективността им е 97-98%. Суперкондензаторите работят без значителни отклонения в целия диапазон от -40 до +65 градуса по Целзий.

Недостатъкът е, че те съхраняват значително по-малко енергия от литиево-йонните батерии.

7 Ново съдържание

Дори най-модерните съвременни суперкондензатори не могат напълно да заменят батериите в електрическите превозни средства. Но много учени и частни компании работят за подобряването им. Например във Великобритания Superdielectrics работи с материал, първоначално разработен за производството на контактни лещи.

Skeleton Technologies работи с графен, алотропна форма на въглерод. Един слой с дебелина един атом е 100 пъти по-здрав от високоякостната стомана и само 1 грам от него може да покрие 2000 квадратни метра. Компанията инсталира графенови суперкондензатори в конвенционални дизелови микробуси и постигна 32% икономия на гориво.

Въпреки факта, че суперкондензаторите все още не могат напълно да заменят батерията, днес има положителна тенденция в развитието на тази технология.

Въпроси и отговори:

Как работи суперкондензаторът? Той работи по същия начин като кондензатор с голям капацитет. В него електричеството се натрупва поради статика по време на поляризацията на електролита. Въпреки че е електрохимично устройство, не протича химическа реакция.

За какво е суперкондензатор? Суперкондензаторите се използват за съхранение на енергия, стартиращи двигатели, в хибридни превозни средства, като източници на краткотраен ток.

Как един суперкондензатор се различава от различните видове батерии? Батерията е способна да генерира електричество сама чрез химическа реакция. Суперкондензаторът само акумулира освободената енергия.

Къде се използва суперкондензаторът? Кондензатори с малък капацитет се използват в светкавици (напълно разредени) и във всяка система, която изисква голям брой цикли на разреждане/зареждане.