В 2014 году на конкурсе «Европейский автомобиль года» второе и третье места заняли BMW i3 и Tesla Model S. А несколькими годами ранее победителями стали Nissan Leaf и Toyota Prius. Эти замечательные транспортные средства имеют одну общую деталь – тяговую аккумуляторную батарею. А ведь еще в начале XX века автомобили на электрической тяге с треском проиграли битву за потребителя! Но спустя почти столетие они снова в игре.
Со школы мы помним, что в основе перезаряжаемого гальванического элемента – аккумулятора – лежит пара электродов, которые опущены в электролит. Каждый такой элемент можно соединять с другими либо последовательно, «плюс» к «минусу», либо параллельно, «плюс» к «плюсу» и «минус» к «минусу». В первом случае повышается напряжение, во втором – сила тока. Эта схема принципиально не меняется уже более двух веков, со времен, когда Алессандро Вольта создал знаменитый Вольтов столб.
Устройство аккумулятора предельно просто, и большое разнообразие современных батарей объясняется различным подбором материалов и веществ в конструкции. Классическая свинцово-кислотная батарея (Pb-Acid) уже давно не используется в легковом электротранспорте и гибридных авто: ее подводят большой вес электродов на основе свинца, недолгий срок службы и необходимость доливать серную кислоту в электролит. Сегодня такой источник электроэнергии можно встретить лишь в стартовых аккумуляторных батареях привычных автомобилей. Уже не встречаются в тяговых батареях и щелочные аккумуляторы (электролит – гидроксид калия), в которых электродами служат кадмий и соединения никеля (Ni-Cd). Достоинства последней схемы – надежность, легкость, долговечность и отсутствие необходимости доливать электролит. Но чтобы привести в движение легковую машину, мощности таких батарей мало – для этого придется значительно увеличивать массу самого блока аккумулятора. Это невыгодно ни технически, ни экономически. Поэтому с конца XX века основными технологиями получения и запасания электроэнергии на борту стали никель-металлогидридные и литий-ионные.
Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы появились на рынке в 1980 году. В основе батареи, как обычно, два электрода – из оксида никеля и из гидрида сплава никеля и лантана. Электролитом служит раствор гидроксида калия. Использование этих материалов позволило поднять энергоемкость аккумуляторов более чем в два раза по сравнению с кислотными батареями. И в 1997 году первая серийная гибридная Toyota Prius получила никель-металлогидридную тяговую аккумуляторную батарею японской компании Sanyo. Фактически она представляла собой множество цилиндрических батареек от карманных фонариков, что вызвало проблемы при охлаждении и компоновке. На следующих поколениях устанавливались аналогичные батареи компании Panasonic EV, которые с 2000 года оснащаются прямоугольными ячейками (это позволяет эффективнее охлаждать и плотнее упаковывать аккумуляторы). И до сих пор тяговые аккумуляторные батареи гибридов от Toyota основываются на NiMH-технологиях. Во многом это обусловлено высокой надежностью, большим количеством рабочих циклов и длительным сроком службы. Но еще несколько лет назад японские инженеры признали, что возможности этой технологии исчерпаны, и будущее за литий-ионными батареями.
У лития есть два фундаментальных плюса – это плотность 0,53 г/см3, которая делает его вдвое легче воды, и очень большой отрицательный электродный потенциал (−3,045 В), благодаря которому литий оказывается самым выгодным электродом в аккумуляторной батарее. Так что этот металл на долгие годы станет основой всех перезаряжаемых источников электроэнергии в мире. Получают его электролизом расплава хлорида лития (KCl), и одно из мест его залегания – боливийские солончаки Койпаса и Уюни, которые в сезон дождей превращаются в самую большую в мире зеркальную поверхность, видимую даже из космоса. Литий-ионная батарея (Li-ion) получила свое название из-за того, что литиевые аноды находятся в растворе солей лития, и процесс разряда-заряда сводится к переносу ионов лития с одного электрода к другому. В качестве катода выступает кобальтат лития LiCoO2 или сложное вещество LiNiMnCo. Если углубиться в конструкцию этой батареи, то выяснится, что анод сделан не из чистого лития, а из его соединения с графитом LiC6. На этот шаг ученым пришлось пойти из-за одного «вредного» свойства металлического лития – он в процессе заряда растет в виде иголочек в направлении катода. И как только до него добирается, происходит короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями. Поэтому японским электрохимикам и пришлось включить литий в углеродные слои графита, которые не выпускают наружу иголочки – только ионы Li+.
Первой на массовый рынок литий-ионные аккумуляторы вывела копания Sony в 1991 году. А сами Li-ion-батареи фактически вывели в свет сотовую связь. Для этого идеально подходили плюсы технологии – малый вес, высокая энергоемкость, высокие разрядные и зарядные токи, компактность и низкий саморазряд. Минусы также присутствуют – необходимость прочного и герметичного корпуса во избежание контакта лития с воздухом, требование к полному отсутствию воды в корпусе, так как H2O отлично растворяет литий, а также опасная склонность к сильному нагреву при разрядке, иногда вплоть до взрыва. И, что особенно удручает в условиях российского климата, работоспособность литий-ионных батарей заметно снижается на морозе. В конструкции мобильного гаджета эти минусы не кажутся критическими, а вот тяговые аккумуляторные батареи гибридов и электромобилей уже требуют систем охлаждения и подогрева. Одной из первых аккумулятор на основе лития поставила на электромобиль компания Nissan в опытном Prairie EV в 1996 году. В основе была тяговая батарея, набранная из большого количества цилиндрических элементов. Но долгие годы все подобные разработки были в тени. И только в начале 2000-х годов, когда подскочили цены на нефть, электромобили ринулись завоевывать рынок. Примечательно, что в 2015 году при цене барреля в $40–50 среди претендентов на лучший европейский автомобиль нет ни одного гибрида или электромобиля. Поэтому некоторые эксперты предрекают в ближайшее время интенсивный рост рынка электромобилей премиум-класса, таких как Tesla Model S и Model X. При нынешних ценах на углеводороды рост рынка доступных машин на электроэнергии видится не столь стремительным, однако уже сейчас на конвейере стоит множество моделей с тяговой батареей на основе лития. И тут есть принципиальное различие между концепцией Tesla Motors и остальными автопроизводителями. Компания Илона Маска использует фактически серийные цилиндрические аккумуляторы Panasonic от ноутбуков, которые собираются в тяговый модуль. В одном модуле может быть до 7000 ячеек! А, к примеру, в электромобиле Nissan Leaf применены прогрессивные тяговые батареи, набранные из призматических ячеек, имеющих полимерное основание. Как видно, аккумулятор одного из самых популярных электромобилей (только в Европе за семь месяцев 2015 года реализовано 7027 экземпляров Tesla Model S) сравнительно просто устроен. Но американцы не стоят на месте – Илон Маск озвучил планы на 5 млрд долларов по строительству крупнейшей в мире фабрики современных литий-ионных батарей. Ключевая особенность этого производства – полная энергонезависимость от электрических сетей. Всю необходимую электроэнергию будут генерировать солнечные батареи, ветряки и геотермальная станция, черпающая тепло из недр Земли. Все это позволит через пару лет снизить стоимость батарей на 30 %.
На 66 Франкфуртском автосалоне мировых премьер IAA-2015 доступных электромобилей не было – сказываются низкие цены на углеводороды. Однако это не отменяет перспективных исследовательских работ, что и привело, в частности, к созданию литий-полимерных батарей. Kia Soul EV и мелкосерийный электрический суперкар Mercedes SLS AMG оснащаются этими продвинутыми аккумуляторами. Ключевая идея такого типа батарей – замена жидкого электролита на полиэтилеоксид с добавлениями различных солей лития. Рассматривается также использование полимерного геля, а также неводного раствора солей лития внутри микропористой матрицы. Это позволяет использовать в качестве анода чистый металлический литий, что автоматически влечет за собой увеличение КПД батареи. Немаловажно и то, что конструкция литий-полимерного аккумулятора повышает безопасность, предотвращая утечки электролита. В связи с этим можно вспомнить о печальных последствиях ДТП с участием седанов Tesla, когда тяговые Li-ion батареи были пробиты и из них вытекал электролит. Несколько машин вспыхнули, и потушить их обычными огнетушителями было невозможно – пламя лишь сильнее разгоралось (еще бы, литий горит в воде!). Компании пришлось ставить титановую защиту на днище машины, чтобы закрыть расположенные в нем аккумуляторы.
На пути от автомобиля на углеводородном топливе к чистому электрокару особняком стоит гибридная модель компоновки (Hibrid Electric Vehicle). Гибридный привод – это симбиоз ДВС (обычно бензинового), электромотора, тяговой аккумуляторной батареи и генератора для ее зарядки. Располагают их в машине двумя способами – последовательно и параллельно. К примеру, гибридный Chevrolet Volt получил ДВС, вращающий генератор, который по проводам отправляет ток на электромоторы для передачи крутящего момента колесам. То есть все расположено один за другим – последовательно. Такая же схема, кстати, давно используется в карьерных самосвалах. Японцы создали наиболее массовую систему Toyota Synergy Drive на принципе совместной работы двигателя, генератора и электромотора в одной связке. При этом механическая связь с колесами сохраняется, а электроника искусно перераспределяет потоки энергии между узлами. Есть и более простые схемы параллельных компоновок – между двигателем и коробкой передач встраивается электромотор (Honda), а сам электромотор отделяется от двигателя еще и сцеплением (VW, Nissan). Гибриды на малых скоростях, при полностью заряженной батарее, перемещаются только на электротяге, при резком ускорении или разряде батареи в дело вступает ДВС. А как только водитель решает остановиться, в дело вступает явление рекуперации. Что это такое? В обычном авто при торможении энергия бесполезно расходуется на нагрев дисков и колодок, а гибриды и электромобили рачительно «складывают» ее в тяговую батарею с помощью генератора. То есть в большинстве случаев машина тормозит, вращая якорь генератора. Безусловно, в экстренных случаях срабатывает штатная тормозная система.
Гибридная силовая установка сложнее, тяжелее и дороже любой другой, работающей только на углеводородном топливе, но выгоды от экономии топлива и снижения токсичных выбросов все же весомее. Правда, все плюсы от таких машин раскрываются только в городском трафике с частыми торможениями и малыми скоростями, на загородных же трассах преимущества у гибридов не столь значимы.
Когда в гараже стоит гибридный автомобиль с большим и тяжелым аккумулятором, возникает желание включить его в розетку и зарядить. Одним из примеров такого подхода является подзаряжаемый гибридный кроссовер Mitsubishi Outlander PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle). Под полом машины расположена литий-ионная батарея емкостью 12 кВт∙ч, которую можно зарядить от обычной 220-вольтовой розетки за пять часов. Outlander PHEV интересен еще и типом трансмиссии – она параллельно-последовательного типа. Это означает, что на низких скоростях это гибрид последовательного типа, а на высокой электроника подключает ДВС к передней оси напрямую через сцепление – теперь это параллельная схема.
К сожалению, зарядка современных электромобилей и гибридов от 220-вольтовой сети длится часами. Это создает определенные трудности, к примеру, в длительных путешествиях. Поэтому и были разработаны стандарты быстрой зарядки – аналог бензоколонки. В Америке для Tesla работают терминалы Supercharger мощностью до 125 кВт, которые позволяют за 30 минут «залить» в тяговую батарею энергии почти на 300 км пробега. И это, заметим, абсолютно бесплатно.
Вторым стандартом электрической зарядки стал протокол CHAdeMО. Это экспресс-зарядка постоянным 500-вольтовым током мощностью до 62,5 кВт. Электрический Nissan Leaf, к примеру, оснащается сразу двумя разъемами для зарядки – от обычной сети (до 2,3 кВт) и от CHAdeMО.
В перспективе видится зарядный стандарт Combo 2. У него уже больше преимуществ – он позволяет использовать постоянный и переменный ток, а главное – его мощность может достигать 200 кВт. С прицелом на эту технологию компания Porsche на автосалоне IAA-2015 представила концептуальный и безумно красивый Mission E c напряжением бортовой сети в 800 Вольт – это в два раза больше, чем у всех других конкурентов. И если этот перспективный спорткар зарядить от перспективной Combo 2, то «полные баки» будут готовы за 15 минут.
Однако самой простой и удобной все-таки является технология быстрой смены тяговых батарей, которую предлагает Tesla в США. Замена длится всего несколько минут, но она, увы, уже платная.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.