В предстоящую среду, 24 ноября, на последнем круглом столе «Вождение в будущее» будет обсуждаться то, как может выглядеть будущее канадского производства аккумуляторов. Независимо от того, являетесь ли вы оптимистом (вы действительно верите, что к 2035 году все автомобили будут электрическими) или думаете, что мы не достигнем этой амбициозной цели, автомобили с батарейным питанием являются важной частью нашего будущего. Если Канада хочет стать частью этой электрической революции, нам нужно найти способ стать ведущим производителем автомобильных силовых систем в будущем. Чтобы увидеть, как выглядит будущее, посмотрите последний круглый стол по производству аккумуляторов для нас в Канаде в эту среду в 11:00 по восточному времени.
Забудьте о твердотельных батареях. То же самое касается всей шумихи вокруг кремниевых анодов. Даже хваленый алюминиево-воздушный аккумулятор, который невозможно зарядить в домашних условиях, не может поколебать мир электромобилей.
Что такое структурная батарея? Что ж, это хороший вопрос. К счастью для меня, который не хочет притворяться, что у меня нет инженерных знаний, ответ прост. Современные электромобили питаются от аккумуляторов, установленных в автомобиле. О, мы нашли новый способ скрыть их качество: встроить все эти литий-ионные батареи в пол шасси, создав платформу «скейтборд», которая теперь является синонимом дизайна электромобилей. Но они по-прежнему отделены от автомобиля. Дополнение, если хотите.
Структурные батареи подрывают эту парадигму, делая все шасси из аккумуляторных элементов. В, казалось бы, сказочном будущем не только несущий пол будет, а не содержать батареи, но и некоторые части кузова — передние стойки, крыши и даже, как показало научно-исследовательское учреждение, возможно, Воздушный фильтр герметичного помещения – не только оснащен аккумуляторами, но и фактически состоит из аккумуляторов. Как говорил великий Маршалл Маклюэн, автомобиль — это аккумулятор.
Что ж, хотя современные литий-ионные аккумуляторы выглядят высокотехнологично, они тяжелые. Плотность энергии литий-ионных аккумуляторов намного меньше, чем у бензина, поэтому для достижения того же запаса хода, что и у автомобилей, работающих на ископаемом топливе, батареи в современных электромобилях очень большие. Очень большой.
Что еще более важно, они тяжелые. Например, тяжелый в «широкой нагрузке». Основная формула, используемая в настоящее время для расчета плотности энергии батареи, заключается в том, что каждый килограмм иона лития может генерировать около 250 ватт-часов электроэнергии. Или, в мире сокращений, как предпочитают инженеры, 250 Втч/кг.
Посчитайте немного: батарея на 100 кВтч — это как Тесла, подключенная к аккумулятору Model S, а это значит, что куда бы вы ни пошли, вы потащите около 400 кг батареи. Это самое лучшее и эффективное приложение. Для нас, непрофессионалов, возможно, точнее было бы подсчитать, что батарея емкостью 100 кВтч весит около 1000 фунтов. Например, полтонны.
А теперь представьте себе что-то вроде нового Hummer SUT, мощность бортовой сети которого составляет до 213 кВтч. Даже если генерал найдет какие-то прорывы в эффективности, топовый Hummer все равно будет тащить около тонны аккумуляторов. Да, он поедет дальше, но из-за всех этих дополнительных преимуществ прирост дальности не соизмерим с удвоением батареи. Конечно, его грузовик должен иметь более мощный, то есть менее эффективный, двигатель. Производительность более легких альтернатив с меньшим радиусом действия. Как скажет вам любой автомобильный инженер (будь то скорость или экономия топлива), вес — враг.
Именно здесь на помощь приходит структурная батарея. Строя автомобили из батарей, а не добавляя их к существующим конструкциям, большая часть добавленного веса исчезает. В определенной степени — то есть когда все конструкционные элементы превращаются в аккумуляторы — увеличение запаса хода автомобиля практически не приводит к снижению веса.
Как и следовало ожидать (потому что я знаю, что вы сидите и думаете: «Какая замечательная идея!»), на пути к этому умному решению есть препятствия. Первый — овладеть умением изготавливать аккумуляторы из материалов, которые можно использовать не только как аноды и катоды для любой базовой батареи, но и как достаточно прочные — и очень легкие! -Конструкция, способная выдержать двухтонную машину и ее пассажиров, и есть надежда, что она будет безопасной.
Неудивительно, что двумя основными компонентами самой мощной структурной батареи на сегодняшний день, созданной Технологическим университетом Чалмерса и финансируемой Королевским технологическим институтом KTH, двумя самыми известными инженерными университетами Швеции, являются углеродное волокно и алюминий. По сути, в качестве отрицательного электрода используется углеродное волокно; В положительном электроде используется алюминиевая фольга, покрытая литий-железофосфатом. Поскольку углеродное волокно также проводит электроны, нет необходимости в тяжелом серебре и меди. Катод и анод разделены матрицей из стекловолокна, которая также содержит электролит, поэтому она не только переносит ионы лития между электродами, но и распределяет структурную нагрузку между ними. Номинальное напряжение каждого такого аккумуляторного элемента составляет 2,8 В, и, как и все современные аккумуляторы для электромобилей, его можно комбинировать для получения напряжения 400 В или даже 800 В, обычного для повседневных электромобилей.
Хотя это явный скачок, даже эти высокотехнологичные ячейки совершенно не готовы к прайм-тайму. Их плотность энергии составляет всего лишь ничтожные 25 ватт-часов на килограмм, а жесткость конструкции — 25 гигапаскалей (ГПа), что лишь немного прочнее, чем у каркасного стекловолокна. Однако благодаря финансированию Шведского национального космического агентства в последней версии теперь используется больше углеродного волокна вместо электродов из алюминиевой фольги, которые, как утверждают исследователи, обладают жесткостью и плотностью энергии. Фактически, ожидается, что эти новейшие углеродно-углеродные батареи будут производить до 75 ватт-часов электроэнергии на килограмм и иметь модуль Юнга 75 ГПа. Эта плотность энергии, возможно, все еще отстает от традиционных литий-ионных батарей, но ее структурная жесткость теперь лучше, чем у алюминия. Другими словами, диагональная батарея шасси электромобиля, изготовленная из этих батарей, может быть конструктивно такой же прочной, как батарея из алюминия, но вес будет значительно уменьшен.
Первым применением этих высокотехнологичных батарей почти наверняка стала бытовая электроника. Профессор Чалмерса Лейф Асп сказал: «Через несколько лет вполне возможно создать смартфон, ноутбук или электрический велосипед, который будет весить лишь вдвое меньше сегодняшнего и будет более компактным». Однако, как отметил ответственный за проект человек: «На самом деле здесь все ограничено только нашим воображением».
Аккумулятор – это не только основа современного электромобиля, но и его самое слабое звено. Даже самый оптимистичный прогноз может увидеть только удвоенную нынешнюю плотность энергии. Что, если мы хотим получить невероятный запас хода, который все мы обещали — и кажется, что кто-то каждую неделю обещает 1000 километров на одной зарядке? — Нам придется сделать что-то лучше, чем просто добавлять аккумуляторы в автомобили: нам придется делать автомобили из аккумуляторов.
Эксперты говорят, что временный ремонт некоторых поврежденных маршрутов, в том числе шоссе Кокихалла, займет несколько месяцев.
Postmedia стремится поддерживать активный, но закрытый дискуссионный форум и призывает всех читателей делиться своими мнениями о наших статьях. Прежде чем комментарии появятся на сайте, может пройти до часа. Мы просим вас сохранять актуальность и уважение к вашим комментариям. Мы включили уведомления по электронной почте: если вы получаете ответ на комментарий, если ветка комментариев, на которую вы подписаны, обновляется или если вы подписываетесь на комментарий пользователя, вы теперь получите электронное письмо. Пожалуйста, посетите наши Правила сообщества для получения дополнительной информации и подробностей о том, как настроить параметры электронной почты.