Vai superkondensatori var aizstāt elektrisko transportlīdzekļu akumulatorus?

Elektromobiļi un hibrīdi ir stingri iesakņojušies mūsdienu autobraucēju prātos kā jauna kārta transportlīdzekļu attīstībā. Salīdzinot ar ICE aprīkotiem modeļiem, šiem transportlīdzekļiem ir savas priekšrocības un trūkumi.

Priekšrocības vienmēr ietver klusu darbību, kā arī piesārņojuma neesamību brauciena laikā (lai gan šodien viena akumulatora izgatavošana elektromobilim piesārņo vidi vairāk nekā 30 gadus viena dīzeļdzinēja darbības laikā).

Elektrisko transportlīdzekļu galvenais trūkums ir nepieciešamība uzlādēt akumulatoru. Saistībā ar to vadošie automašīnu ražotāji izstrādā dažādas iespējas, kā palielināt akumulatora darbības laiku un palielināt intervālu starp uzlādēm. Viena no šīm iespējām ir superkondensatoru izmantošana.

Apsveriet šo tehnoloģiju, izmantojot jaunas automobiļu nozares - Lamborghini Sian - piemēru. Kādas ir šīs attīstības priekšrocības un trūkumi?

Jaunums elektrisko transportlīdzekļu tirgū

Kad Lamborghini sāk ieviest hibrīdu, varat būt drošs, ka tā nebūs tikai jaudīgāka Toyota Prius versija.

Itālijas elektrifikācijas uzņēmuma debija Sian ir pirmais sērijveida hibrīdauto (pēriens 63 vienības), kas litija jonu akumulatoru vietā izmanto superkondensatorus.

Daudzi fiziķi un inženieri uzskata, ka viņiem ir masveida elektriskās mobilitātes atslēga, nevis litija jonu akumulatori. Siāns tos izmanto elektrības uzkrāšanai un, ja nepieciešams, padod to savam mazajam elektromotoram.

Superkondensatoru priekšrocības

Superkondensatori uzlādē un atbrīvo enerģiju daudz ātrāk nekā lielākā daļa mūsdienu bateriju. Turklāt tie var izturēt ievērojami vairāk uzlādes un izlādes ciklu, nezaudējot jaudu.

Sian gadījumā superkondensators darbina 25 kilovatu elektromotoru, kas iebūvēts pārnesumkārbā. Tas var vai nu dot papildu stimulu 6,5 zirgspēku 12 litru V785 iekšdedzes motoram, vai arī pats vadīt sporta automašīnu maza ātruma manevru laikā, piemēram, stāvvietā.

Tā kā uzlāde notiek ļoti ātri, šis hibrīds nav jāpievieno sienas kontaktligzdai vai uzlādes stacijai. Superkondensatori tiek pilnībā uzlādēti katru reizi, kad transportlīdzeklis bremzē. Bateriju hibrīdiem ir arī bremzēšanas enerģijas atgūšana, taču tā ir lēna un tikai daļēji palīdz pagarināt elektrisko nobraukumu.

Superkondensatoram ir vēl viens ļoti liels trumpis: svars. Lamborghini Sian visa sistēma – elektromotors un kondensators – palielina svaru tikai par 34 kilogramiem. Šajā gadījumā jaudas pieaugums ir 33,5 zirgspēki. Salīdzinājumam, Renault Zoe akumulators vien (ar 136 zirgspēkiem) sver aptuveni 400 kg.

Superkondensatoru trūkumi

Protams, superkondensatoriem ir arī trūkumi, salīdzinot ar akumulatoriem. Ar laiku tie uzkrāj enerģiju daudz sliktāk – ja Sians nedēļu nav braucis, kondensatorā enerģijas nepaliek. Taču šai problēmai ir arī iespējami risinājumi. Lamborghini sadarbojas ar Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtu (MIT), lai izveidotu tīri elektrisku modeli, kura pamatā ir superkondensatori, kas ir slavenais Terzo Millenio (Trešā tūkstošgades) koncepcija.

bst

Starp citu, Volkswagen grupas paspārnē esošais Lamborghini nav vienīgais uzņēmums, kas eksperimentē šajā jomā. Peugeot hibrīdmodeļos jau gadiem ir izmantoti superkondensatori, tāpat kā Toyota un Honda ūdeņraža degvielas šūnu modeļos. Ķīnas un Korejas ražotāji tos uzstāda elektriskajos autobusos un kravas automašīnās. Un pagājušajā gadā Tesla iegādājās Maxwell Electronics, vienu no pasaulē lielākajiem superkondensatoru ražotājiem, kas ir droša zīme, ka vismaz Elons Masks tic šīs tehnoloģijas nākotnei.

7 galvenie fakti superkondensatoru izpratnei

1 Kā darbojas akumulatori

Akumulatoru tehnoloģija ir viena no lietām, ko mēs jau sen esam uzskatījuši par pašsaprotamu, nedomājot par to, kā tā darbojas. Lielākā daļa cilvēku iedomājas, ka, uzlādējot, mēs vienkārši “lejam” elektrību akumulatorā, tāpat kā ūdeni glāzē.

Bet akumulators tieši neuzglabā elektroenerģiju, bet tikai ģenerē to, ja nepieciešams, ķīmiskā reakcijā starp diviem elektrodiem un šķidrumu (visbiežāk), kas tos atdala, ko sauc par elektrolītu. Šajā reakcijā tajā esošās ķīmiskās vielas pārvēršas citās. Šī procesa laikā tiek ģenerēta elektrība. Kad tie ir pilnībā pārveidoti, reakcija apstājas - akumulators ir izlādējies.

Taču ar uzlādējamām baterijām reakcija var notikt arī pretējā virzienā – to uzlādējot enerģija uzsāk apgriezto procesu, kas atjauno sākotnējās ķīmiskās vielas. To var atkārtot simtiem vai tūkstošiem reižu, taču neizbēgami ir zaudējumi. Laika gaitā uz elektrodiem uzkrājas parazitāras vielas, tāpēc akumulatora darbības laiks ir ierobežots (parasti 3000 līdz 5000 ciklu).

2 Kā darbojas kondensatori

Kondensatorā nenotiek ķīmiskas reakcijas. Pozitīvos un negatīvos lādiņus rada tikai statiskā elektrība. Kondensatora iekšpusē ir divas vadošas metāla plāksnes, kuras atdala izolācijas materiāls, ko sauc par dielektriku.

Uzlāde ir ļoti līdzīga bumbas berzēšanai vilnas džemperī, lai tā pieliptu ar statisko elektrību. Plāksnēs uzkrājas pozitīvi un negatīvi lādiņi, un separators starp tiem, kas neļauj tiem saskarties, faktiski ir enerģijas uzkrāšanas līdzeklis. Kondensatoru var uzlādēt un izlādēt pat miljonu reižu, nezaudējot jaudu.

3 Kas ir superkondensatori

Parastie kondensatori ir pārāk mazi, lai uzglabātu enerģiju - parasti mēra mikrofarados (miljonos faradu). Tāpēc pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados tika izgudroti superkondensatori. To lielākajos industriālajos variantos, ko ražo tādi uzņēmumi kā Maxwell Technologies, jauda sasniedz vairākus tūkstošus faradu, tas ir, 1950-10% no litija jonu akumulatora jaudas.

4 Kā darbojas superkondensatori

Atšķirībā no parastajiem kondensatoriem, tajā nav dielektriķu. Tā vietā abas plāksnes ir iegremdētas elektrolītā un atdalītas ar ļoti plānu izolācijas slāni. Superkondensatora kapacitāte faktiski palielinās, palielinoties šo plākšņu laukumam un samazinoties attālumam starp tām. Lai palielinātu virsmas laukumu, tie pašlaik ir pārklāti ar porainiem materiāliem, piemēram, oglekļa nanocaurulēm (tik mazām, ka 10 miljardi no tām ietilpst vienā kvadrātcentimetrā). Atdalītājs var būt tikai vienas molekulas biezs ar grafēna slāni.

Lai saprastu atšķirību, vislabāk ir domāt par elektrību kā ūdeni. Tad vienkāršs kondensators būtu kā papīra dvielis, kas var absorbēt ierobežotu daudzumu. Superkondensators piemērā ir virtuves sūklis.

5 baterijas: plusi un mīnusi

Baterijām ir viena būtiska priekšrocība – augsts enerģijas blīvums, kas ļauj uzkrāt salīdzinoši lielu enerģijas daudzumu nelielā rezervuārā.

Tomēr tiem ir arī daudz mīnusu – liels svars, ierobežots mūžs, lēna uzlāde un salīdzinoši lēna enerģijas izdalīšanās. Turklāt to ražošanai tiek izmantoti toksiski metāli un citas bīstamas vielas. Baterijas ir efektīvas tikai šaurā temperatūras diapazonā, tāpēc tās bieži ir jāatdzesē vai jāuzsilda, tādējādi samazinot to augsto efektivitāti.

6 superkondensatori: plusi un mīnusi

Superkondensatori ir daudz vieglāki par akumulatoriem, to mūžs ir nesalīdzināmi ilgāks, tiem nav nepieciešamas nekādas bīstamas vielas, tie uzlādē un atbrīvo enerģiju gandrīz acumirklī. Tā kā tiem gandrīz nav iekšējās pretestības, tie nepatērē enerģiju, lai darbotos - to efektivitāte ir 97-98%. Superkondensatori darbojas bez būtiskām novirzēm visā diapazonā no -40 līdz +65 grādiem pēc Celsija.

Trūkums ir tāds, ka tie uzkrāj ievērojami mazāk enerģijas nekā litija jonu akumulatori.

7 Jauns saturs

Pat vismodernākie modernie superkondensatori nevar pilnībā nomainīt akumulatorus elektriskajos transportlīdzekļos. Bet daudzi zinātnieki un privāti uzņēmumi strādā pie to uzlabošanas. Piemēram, Lielbritānijā Superdielectrics strādā ar materiālu, kas sākotnēji izstrādāts kontaktlēcu ražošanai.

Skeleton Technologies strādā ar grafēnu, alotropisku oglekļa formu. Viens slānis viena atoma biezumā ir 100 reizes stiprāks par augstas stiprības tēraudu, un tikai 1 grams no tā var aptvert 2000 kvadrātmetrus. Uzņēmums uzstādīja grafēna superkondensatorus parastajos furgonos ar dīzeļdegvielu un panāca 32% degvielas ietaupījumu.

Neskatoties uz to, ka superkondensatori joprojām nevar pilnībā nomainīt akumulatoru, šodien šīs tehnoloģijas attīstībā ir pozitīva tendence.

Jautājumi un atbildes:

Kā darbojas superkondensators? Tas darbojas tāpat kā lielas ietilpības kondensators. Tajā elektrolīta polarizācijas laikā elektrība tiek uzkrāta statiskās elektrības dēļ. Lai gan tā ir elektroķīmiska ierīce, ķīmiska reakcija nenotiek.

Kam paredzēts superkondensators? Superkondensatori tiek izmantoti enerģijas uzkrāšanai, motoru palaišanai, hibrīdautomobiļos, kā īslaicīgas strāvas avoti.

Kā superkondensators atšķiras no dažāda veida akumulatoriem? Akumulators ķīmiskās reakcijas rezultātā spēj pats ražot elektrību. Superkondensators tikai uzkrāj atbrīvoto enerģiju.

Kur tiek izmantots superkondensators? Zemas ietilpības kondensatori tiek izmantoti zibspuldzēs (pilnībā izlādējušies) un jebkurā sistēmā, kurai nepieciešams liels izlādes/uzlādes ciklu skaits.