Топливный элемент VS литиевая батарея, которая станет важным автомобильным источником энергии

Несколько месяцев назад исполнительный директор Tesla Илон Маск сказал немецкой прессе, что FuelCell - это «группа дураков», сказав им, что «они такие глупые, даже если это теоретически надежно, но не сравнится с сегодняшними литий-ионными батареями. . " Он также отмечает, что у литий-ионных аккумуляторов есть большой неиспользованный потенциал.

С другой стороны, несколько автомобильных гигантов, включая GM и Toyota, подписали со своими партнерами соглашения о разработке топливных элементов и планируют выпустить автомобили на топливных элементах в ближайшие несколько лет. Toyota представила концепцию водородных топливных элементов fcv-r на автосалоне в Токио в 2011 году, а на автосалоне в Токио в этом году будут представлены серийные модели. Toyota и BMW подписали соглашение о сотрудничестве в четырех областях, включая топливные элементы.

Помимо Toyota, General Motors и Honda Motor объявили, что они совместно разработают технологию топливных элементов следующего поколения для запуска в 2020 году. Hyundai Motor в Южной Корее является пионером в разработке автомобилей на топливных элементах, а Ford, Daimler и renault-nissan работают вместе. разработать технологию топливных элементов.

Toyota заявила, что модель ModelS на топливных элементах, которая будет производиться серийно, будет стоить примерно столько же, сколько BMW 5-й серии или Tesla ModelS, примерно в 50 000 долларов с пробегом до 483 км без подзарядки. Так рентабельно с высокой конкурентоспособностью.

Итак, будь то Tesla gelig или Toyota и куча других автопроизводителей, зачем нужна битва между топливными элементами и литий-ионными батареями и что будет приводить в действие электромобили в будущем? Давайте сделаем глубокое погружение.

Электромобили и обычные автомобили

Сейчас многие электромобили, по сути, являются продолжением традиционных автомобилей, как люди делают, традиционной части автомобиля, энергии, топливной части в двигателе и аккумулятора.

У электромобилей очень и очень долгая история. В 1839 году Роберт Андерсон из Шотландии установил аккумулятор и электродвигатель на фургон и превратил его в первый в мире электромобиль. Изобретение двигателя внутреннего сгорания было отложено более чем на 40 лет до октября 1885 года, когда Карл Бенц спроектировал и построил первый в мире трехколесный бензиновый автомобиль, а Готлиб Даймлер в том же году произвел четырехколесный бензиновый автомобиль. Они образовали собственные автомобильные компании, которые в 1926 году объединились в Daimler-Benz.

Электромобиль пережил три периода развития в своей истории, с 1885 по 1915 год был первым золотым веком электромобиля. В течение этого периода, поскольку технология двигателей внутреннего сгорания является довольно отсталой, обычно признается малый запас хода, множество неисправностей, трудности технического обслуживания, электромобили, электромобили. Президентом США управлял электромобиль, а не двигатель внутреннего сгорания.

На втором этапе, в 1960-х годах, на фоне нефтяного кризиса, вызванного войной на Ближнем Востоке, американские компании General Motors и Ford Motor, соответственно, разработали новые электромобили. Citroen и Peugeot переоборудовали существующие модели в небольшие электромобили. В качестве возможности мир вызвал волну электромобилей.

Третий этап - 1990-е годы, с развитием технологии литиевых батарей, снижением затрат, значительно улучшились характеристики электромобилей. Наконец-то добились Tesla, Nissan и других серийных электромобилей.

Из истории электромобилей видно, что электромобили и традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания на самом деле развиваются параллельно и конкурируют друг с другом. Когда характеристики, стоимость и удобство использования электромобиля выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, у электромобиля наступит золотой период развития. Однако, когда технология двигателей внутреннего сгорания продвигается и пользовательский опыт превосходит возможности электромобиля, электромобиль замолкает.

Ключевой фактор эффективности электромобилей: аккумуляторные батареи.

Для электромобилей ключом к тому, смогут ли производительность, стоимость и удобство использования обогнать автомобиль внутреннего сгорания, является аккумуляторная батарея.

Мы знаем, что автомобиль может работать, потому что двигатель и коробка передач работают, чтобы обеспечить автомобиль энергией, электромобиль может работать - это аккумулятор и электродвигатель для обеспечения энергии. После ста лет развития моторная техника стала очень зрелой.

Независимо от мощности единицы веса, эффективности, срока службы, стоимости, контроля, это намного лучше, чем у двигателя. Двигатели одинаковой мощности обычно дешевле двигателей, служат дольше и их легче обслуживать. Теоретически электромобили должны быть намного более конкурентоспособными, чем автомобили внутреннего сгорания, и проблема заключается в батареях.

Как мы все знаем, движение автомобиля требует энергии. Энергия автомобиля с двигателем внутреннего сгорания поступает от сгорания бензина или дизельного топлива, а тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию. Аккумулятор ИСПОЛЬЗУЕТ двигатель для преобразования электрической энергии в кинетическую. Проблема с электромобилями заключается в том, что они имеют одинаковый вес, одинаковый объем и вырабатывают гораздо меньше энергии, чем бензин или дизельное топливо, что означает более низкую плотность энергии.

Таким образом, также пробегите 300 километров, бензиновому автомобилю нужно всего 30 литров топливного бака, нужно всего более 20 килограммов бензина, и даже при использовании передового электромобиля с литий-ионным аккумулятором также требуется более 600 килограммов огромного аккумуляторного блока, не говоря уже о схеме защиты, самом аккумуляторном блоке для защиты веса.

Свинцово-кислотные батареи требуют тяжелого аккумуляторного блока массой от одной до двух тонн по сравнению с обычным весом семейного автомобиля.

Помимо плотности энергии существует еще понятие плотности мощности. Максимальный ток, который может выдать аккумуляторная батарея, ограничен, а напряжение ограничено. Даже если мощность двигателя очень высока, способность мгновенного разряда аккумулятора не очень хорошая, это повлияет на производительность электромобилей.

Классификация силовых аккумуляторов

В настоящее время существует множество видов аккумуляторных батарей для электромобилей, но некоторые из них действительно практичны. Потому что у многих аккумуляторов есть та или иная проблема. Большинство производителей в мире выбрали литиевые батареи. Детали включают литиевые тройные батареи, литий-железо-фосфатные батареи и литиевые манганатные батареи. Однако все они относятся к категории литиевых батарей.

Ни водородный топливный элемент, ни цинково-воздушный элемент не являются перезаряжаемыми батареями. Вместо этого он потребляет другие материалы (водород и цинк) для выработки электроэнергии.

Есть еще несколько альтернативных аккумуляторов, как правило, в качестве вспомогательного аккумулятора. Ниже мы расскажем о характеристиках различных типов аккумуляторов, а также о преимуществах и недостатках автомобиля.

Водородный топливный элемент

Во-первых, водородные топливные элементы, которые гелиго высмеивал как «тупые». Топливные элементы не новы. Они датируются 1838 годом, когда немецкий химик высказал теорию топливных элементов. Действительно, свинец был в 1955 году, инженеры-геологи Соединенных Штатов создали практические водородные топливные элементы, которые затем применили к американскому дуэту в плане освоения космоса (отступление, заинтересованные могут поискать документальный фильм «с Земли на Луну», см. Планы американского дуэта. , программа Аполлон, и посмотрите на китайскую программу Шэньчжоу, план богини Луны).

Водородные топливные элементы, разработанные в 1991 году для использования в автомобилях, являются источником сегодняшних водородных топливных элементов.

Одним из самых больших преимуществ водородных топливных элементов перед другими типами батарей является их высокая удельная энергия. В лаборатории они могут достигать 3 киловатт-часов на килограмм, что намного выше, чем у других типов батарей. Автомобиль можно использовать в меньших размерах и весе, что увеличивает время автономной работы.

Но есть проблемы с водородными топливными элементами:

Во-первых, цена. Основными частями водородного топливного элемента являются протонообменная мембрана и платиновый катализатор, оба из которых являются очень дорогими материалами. Их можно использовать в авиакосмической отрасли независимо от стоимости. Текущая цена составляет от 1,5 млн до 2 млн юаней, что намного выше, чем цена на бензиновый автомобиль и электромобиль с литиевой батареей;

Во-вторых, источник и хранилище топлива. Водородным топливным элементам нужен водород, который не поддерживается производственной цепочкой. Крайне неудобно производить, транспортировать, хранить и заправлять топливом.

Транспортным средствам на водородных топливных элементах предстоит пройти долгий путь с точки зрения пользовательского опыта. Сатира Гелиго на водородные топливные элементы как на «немые элементы» не совсем необоснованна.

(2) воздушно-цинковая батарея

Воздушно-цинковые батареи также имеют долгую историю, восходящую к 1878 году. Воздушно-цинковые батареи гораздо больше похожи на сухие батареи, которые мы используем, и на самом деле воздушно-цинковые батареи заменяют сухие батареи во многих областях.

Цинково-воздушные батареи имеют более высокую плотность энергии, до 0,3 киловатт-часов на килограмм, что выше, чем у литиевых батарей, и дешевле. Цинк намного дешевле лития.

Но есть две проблемы с воздушно-цинковыми батареями:

Во-первых, низкая удельная мощность. Хотя запас хода электромобиля, использующего воздушно-цинковую батарею, не уступает запасу хода электромобиля с литиевой батареей, его характеристики разгона и подъема очень плохие, а практичность невысока.

Во-вторых, производственная цепочка не совпадает. Воздушно-цинковая батарея похожа на водородный топливный элемент, и материал необходимо заменить. Цинково-воздушная батарея должна заменить оксид цинка металлическим цинком, что требует ряда вспомогательных производственных цепочек от электростанции, завода по производству электролитического цинка, завода по производству цинковых аккумуляторов, станции замены автомобильных аккумуляторов и так далее. Все это начинается с нуля, но к тому же он гораздо менее зрелый, чем литий-ионные батареи, и далек от практичности.

(3) аккумулятор маховика

Аккумулятор с маховиком - это аккумулятор нового типа, разработанный в последние десятилетия. Это не традиционная химическая батарея, которая преобразует химическую энергию в электрическую, а батарея с высокоскоростным вращающимся маховиком внутри и полагается на кинетическую энергию маховика для хранения энергии.

Батарея с маховиком не содержит химикатов, взрывоопасного горения или других проблем безопасности, не боится перепадов температуры, суровых условий окружающей среды и очень долгого срока службы. Что еще более ценно, так это то, что аккумулятор с маховиком имеет очень высокую удельную мощность, до 5-10 кВт / кг, что намного выше, чем у других типов аккумуляторов. Хотя плотность энергии аналогична литиевой батарее, высокая плотность мощности может обеспечить отличные характеристики ускорения транспортного средства и может выдерживать большую мощность при рекуперации энергии.

В концептуальном автомобиле Porsche 918 место второго пилота представляет собой систему накопления энергии маховика, батарея маховика - единственное слабое место, дорогое, технология, производительность, безопасность, батарея маховика очень подходит для использования в автомобиле, но имелись ввиду высокие цены. он мог появиться только на роскошном автомобиле или суперкаре и не мог появиться на публике с автомобилем.

(iv) литиевая батарея

Литиевые батареи возникли еще в 1970-х годах, они являются наиболее широко используемыми батареями.

На самом деле существует несколько видов литиевых аккумуляторов для автомобилей. Последняя батарея Panasonic, используемая Tesla, представляет собой трехпозиционную литиевую батарею. Литиевый трехходовой аккумулятор имеет сбалансированную плотность энергии, удельную мощность и безопасность.

Преимущество Tesla в том, что она решает проблему безопасности во время зарядки и разрядки с помощью программного обеспечения. Так что оригинальная безопасность трилитиевой батареи может быть применена к автомобилю.

Однако технология управления питанием Tesla не может решить проблему проколов, поэтому ее можно решить только путем усиления защиты аккумуляторной батареи. В случае экстремального столкновения сильная сила удара нарушает защиту аккумуляторной батареи, и тесла все равно загорится и взорвется, но высокопрочная защита дает владельцу время сбежать.

Литий-фосфат железа (так называемая железная батарея Быда) - широко используемый аккумулятор. Его преимущество в том, что он относительно безопасен. Он имеет хорошую удельную мощность, высокую скорость разряда и хорошие характеристики разгона. Что касается продолжительности цикла, фосфат лития-железа также имеет преимущества. Стоимость его длительного использования относительно невысока.

Недостаток фосфата лития-железа состоит в том, что он имеет относительно низкую плотность энергии и не имеет преимуществ в том же весе и диапазоне. К тому же низкотемпературные характеристики плохие, в холодные дни будет потеряно много электроэнергии.

В целом, фосфат лития-железа по-прежнему считается многообещающим аккумулятором.

Литий-манганатные батареи широко используются на японских предприятиях. Он имеет такие преимущества, как лучшие низкотемпературные характеристики, менее серьезные потери мощности при низких температурах, чем фосфат лития-железа, более низкая цена и меньшая безопасность, чем фосфат лития-железа, но это неплохо. Но сам материал не очень устойчив, легко выделяется газ.

Резюме:

Исходя из нынешних технологий, водородным топливным элементам и цинково-воздушным элементам необходимо построить новую производственную цепочку для поддержки, что потребует много времени и больших инвестиций, и у них обоих есть слабые стороны, слабая конкурентоспособность, и на них не будет больших надежд. долгое время.

Аккумуляторы на маховике отличные, но дорогие. Если вы можете найти способ значительно снизить затраты, для электромобилей лучше всего подходят маховиковые батареи. Это означает, что в течение долгого времени маховиковые батареи будут доступны только в некоторых сверхдорогих роскошных автомобилях и суперкарах.

С момента изобретения литиевой батареи, с развитием технологий и расширением индустриализации, каждый год наблюдается небольшой диапазон снижения цен и повышения емкости.

Популярность Tesla после 2012 года объяснялась не ведущими технологиями. В 2005 году Япония разработала Eliica с лучшей производительностью, чем Tesla ModelS, но высокая цена литиевой батареи означала, что этот продукт был всего лишь тестовым продуктом.

Byd разрабатывает E9 с характеристиками, сопоставимыми с Tesla ModelS, и в качестве подключаемого гибридного автомобиля для электромобилей и автомобилей с бензиновым двигателем Byd qin скоро появится на рынке, BMW i3 и i8 появятся на рынке, а porsche 918. был предварительно заказан. Причина в том, что в 2013 году цена на литиевые батареи была снижена до приемлемого диапазона.

В ближайшие несколько лет, с дальнейшим снижением цены на литиевые батареи и дальнейшим увеличением емкости, электромобили и гибридные электромобили станут дешевле и лучше, а процесс замены электромобилей на топливные автомобили только начинается.

Страница содержит содержимое машинного перевода.