Кому таторы, а кому ляторы. Разбираемся с батареями для электромобилей - «Автоновости»

Этот разговор не мог состояться 10 лет назад, так как массовые гибриды и электрокары в то время можно было пересчитать старомодным способом: по пальцам. Теперь же за окном 2017 год, и вокруг нас существуют десятки классических гибридов, розеточных гибридов и полноценных электрокаров от большинства мейнстримовых автопроизводителей. Да что далеко ходить: самые быстрые Ferrari, Porsche и McLaren являются гибридами, так что люди уже не смотрят на вас как на безумного хиппи, когда вы произносите "гибрид" или "электрокар".

Итак, эта самая категория автомобилей полностью или частично приводится в действие электричеством посредством бортовых батарей. Именно батареи до сих пор считались главной причиной беспокойства при езде на длинные расстояния. Поэтому обозреватели портала Autoevolution решили дать объяснения по каждому типу доступных батарей.

Два самых продаваемых электрокара в мире – это Nissan Leaf (на конец 2015 года в мире продано четверть миллиона таких автомобилей) и Tesla Model S (продано почти 100 000 единиц). По счастливой случайности, обе машины питаются от литий-ионных батарей. Пожалуй, с них и начнем.

Литий-ионные батареи

Изначально литий-ионные батареи использовались для потребительской электроники. В последнее десятилетие они непрерывно эволюционировали и теперь используются в большинстве современных гибридов и электрокаров.

Имейте в виду, что не все литий-ионные батареи одинаковы. Отличия заключаются в области их применения. Портативные устройства типа смартфонов, планшетов и ноутбуков основаны на оксиде лития-кобальта (LiCoO2) с очень высокой плотностью энергии, что имеет свои недостатки.

Катионы оксида лития-кобальта более восприимчивы к так называемому тепловому разгону, что имеет место при избыточной зарядке или работе в высоких температурах. Другими словами, они могут попросту взорваться при некорректном использовании, и это одна из основных причин, по которой такие литий-ионные батареи не особо применяются в автомобилестроении.

Для более энергоемких девайсов (электроинструменты, медицинское оборудование и автомобили) используются литий-ионные батареи на основе фосфата лития-железа (LiFePO4), оксида лития-марганца (LMO) и оксида лития-никеля-марганца-кобальта (NMC). Все они имеют более низкую плотность энергии, чем у оксида лития-кобальта, но отличаются относительной безопасностью и более длительным сроком службы.

Большинство гибридов и электрокаров используют литий-ионные батареи типа NMC, но это не означает, что "литий-ионы" в целом представляют собой истину в последней инстанции, особенно в контексте того, что старые типы батарей могут доказать свою состоятельность, если будут грамотно спроектированы.

Преимущества. Явные преимущества литий-ионных батарей состоят в хорошем соотношении энергии к весу, скорости зарядки и практическому отсутствию эффекта памяти.

Большая плотность энергии означает, что такие батареи меньше весят. Это очевидный плюс для их использования в автомобилях, так как низкий вес подразумевает увеличение запаса хода и улучшение динамических характеристик. Не забудем и об управляемости на извилистых дорогах – ахиллесовой пяте электромобилей, будь они спортивными или нет.

Скорость зарядки – это желаемая черта любого типа батарей, но не думайте, что наличие литий-ионных аккумуляторов (а не каких-то других) заставит вашу машину заряжаться гораздо быстрее. В реальной жизни разница очень незначительна.

Что касается эффекта памяти, то литий-ионные батареи наименее подвержены этой проблеме. Если коротко, то некоторые типы батарей постепенно снижают свою энергетическую емкость с каждым циклом зарядки. Это обычно происходит, когда их постоянно заряжают при частичной разрядке, то есть они как будто «запоминают» меньшую энергоемокость. От эффекта памяти больше всего страдают батареи на основе никеля.

Недостатки. Безусловно самый большой недостаток литий-ионных аккмуляторов связан с их себестоимостью, которая значительно выше, чем у других типов батарей. По сравнению с никелевыми батареями они на 40 процентов дороже в производстве, и эта разница отражается на потребителях. Нужно помнить, что производственные издержки для всех типов батарей со временем снижаются.

Хотя литий-ионные батареи разряжаются гораздо меньшими темпами, они подвержены старению (особенно при хранении и эксплуатации в ненадлежащих условиях). С каждым циклом зарядки происходит небольшое снижение напряжения, а с течением времени снижается и количество удерживаемой энергии, несмотря ни на что. В автомобильной промышленности отведенный таким батареям срок составляет 10 лет, хотя ни одна батарея не тестировалась в течение такого длительного времени. Некоторые литий-ионные батареи демонстрируют снижение энергоемкости даже через год.

Подводя итог, скажем, что литий-ионные батареи имеют наименьшее количество недостатков по сравнению с большинством конкурентов, но они все еще далеки от идеала.

Никель-металл-гидридные (Ni-MH) батареи

Самый старый тип так называемых современных аккумуляторов до сих пор используется во многих гибридах, хотя литий-ионные образцы начали превосходить их по численности.

Будучи более дешевой альтернативой "литий-ионам", никель-металлгидридные батареи также имеют свои преимущества и недостатки, которые могут стать камнем преткновения для покупателей гибридов и электрокаров.

В отличие от "литий-ионов", таким батареям нужен водород, никель и титан (или аналогичный металл для хранения энергии). Это приводит к значительно более низкой стоимости производства, однако по мере того, как все больше и больше автопроизводителей переходят на литий-ионные батареи (например, Tesla), огромное расхождение в ценах должно сокращаться.

Преимущества. Безусловно самый большой плюс для таких аккумуляторов – это их долговечность. Над современными типами батарей нужно читать молитвы, чтобы те прослужили дольше, но никель-металлгидридные избавят вас от этих хлопот.

С долговечностью тесно связан такой фактор, как отсутствие особых мер предосторожности при их переработке. По сравнению с другими батареями они содержат лишь небольшое количество умеренных токсинов. Кроме того, высокое содержание никеля делает их переработку крайне рентабельной.

Недостатки. Основным минусом для никель-металл-гидридных батарей является их низкая энергетическая плотность (на 40 процентов ниже, чем у литий-ионов). Частично эту проблему решает увеличение их размера, но вы сами понимаете, что такие меры приводят к образованию лишнего веса.

В гибридах, розеточных гибридах и электрокарах при вождении аккумуляторы подвергаются большой нагрузке, и именно здесь проявляется один из главных недостатков батарей Ni-MH. Если их быстро зарядили, а затем разрядили с высокой нагрузкой, они, как правило, выделяют очень много тепла, поэтому им требуется отдельная система охлаждения, что также добавляет лишний вес.

Другие типы

Существует много других типов батарей, которые в конечном счете могут стать самыми популярными в автомобильной индустрии, но на данный момент ни один из них не стал революционным.

Батареи на основе диоксида кобальта, фосфата железа, никеля-кобальта-алюминия, оксида марганца, а также литий-воздушные и литий-полимерные батареи могут появиться в гибридах и электрокарах в ближайшем будущем.

Одни из самых стабильных и недорогих батарей – это батареи на основе фосфата железа, но они работают при низком напряжении, поэтому для питания большого электромобиля их потребуется очень много.

Литий-полимерные батареи являются еще одной формой литий-ионных батарей. Основное различие заключается в том, что в их конструкции используется специальный полимерный материал, и они выглядят как почтовый мешок. Их применение в автомобилях началось относительно недавно.

Одна из самых интригующих батарейных технологий – это литий-воздушные аккумуляторы. Их основное преимущество – гигантская плотность энергии, почти сопоставимая с бензином и в 5-15 раз выше, чем у современных литий-ионных батарей.

Так или иначе, пройдет еще пара лет, прежде чем мы увидим что-то новое хотя бы на небольшом проценте наших гибридов и электромобилей. Но прогресс уже не остановить, и совсем скоро тревога по поводу низкого запаса хода уйдет в прошлое.