Volkswagen Цифровой журнал

МЫСЛИТЬ ШИРЕ

танец молекул.

Станет ли электромобильность массовым феноменом, зависит в конечном итоге от мощных, безопасных и надежных аккумуляторов по приемлемой цене. Volkswagen проводит исследования новых материалов и разрабатывает аккумулятор следующих поколений.

Текст:  Сабрина Кюнц
Иллюстрации: KircherBurkhardt Infografik

Масса целых две с половиной тонны, из которых 850 килограмм приходится на свинцовый аккумулятор. Вот в таком виде компания Volkswagen представила в 1972 году свой первый электромобиль, Transporter T2 Electric. Особой скоростью он не отличался: 70 километров в час и 33 кВт (45 л. с.) – это все, что из него можно было выжать. С тех времён электромобили Volkswagen значительно сбросили в весе. Аккумулятор для e-up! весит около 230 килограмм при скорости 130 километров в час и мощности 60 кВт (82 л. с.).

 

Несмотря на это, многие задаются вопросом, почему же новые разработки не «худеют» ещё быстрее. Если сейчас мобильный телефон обладает большей памятью, чем громоздкие компьютеры ещё несколько лет тому назад, почему никто еще не разработал аккумулятор с запасом хода 600 километров, который можно было бы хранить в бардачке? Ответ заключается в том, что в технологии аккумуляторов речь идет о химических процессах, поэтому сравнивать достижения в этих сферах невозможно.

Как работает электрический аккумулятор?

Давайте посмотрим на аккумулятор для e-up!. В катоде между слоями оксида металла находятся ионы лития (изображены красным цветом).

В своих электромобилях Volkswagen делает ставку на литий-ионные аккумуляторы. Как можно их усовершенствовать? В отделе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ компании Volkswagen над этим вопросом работает 100 с лишним сотрудников. Их цель – разработать за следующие четыре года прототип элемента с энергоёмкостью 280 ватт в час на килограмм (Вт·ч/кг). Сейчас аккумуляторы достигают максимум 180 Вт·ч/кг. Для реализации поставленной цели исследователи анализируют уже используемые системы и материалы, пробуют альтернативные варианты, строят опытные автомобили и изучают прототипы других производителей.
В 2009 году в Эльвангене (Германия) был создан исследовательский центр Volkswagen VARTA Microbattery. На этом совместном предприятии трудятся 40 сотрудников, которые разрабатывают литий-ионные аккумуляторы для электромобилей. Совместно с компанией Volkswagen они проводят испытания по возможности успешного внедрения достигнутых результатов в серийное производство. Ведь многие материалы на практике не оправдывают надежд, возлагаемых на них в лабораторных условиях. Часть изобретений так и не доходит до серийного применения. Например, если их не получается достаточно уплотнить. Это очень важно, ведь различные размеры частиц в активном слое создают предпосылки для оптимального использования ограниченного пространства. Другие же материалы, несмотря на то, что обладают высоким энергетическим потенциалом, быстро разрушаются и поэтому непригодны для серийного производства. Успех аккумуляторов зависит от пяти критериев: срока службы, энергии, мощности, безопасности и стоимости.

Что обеспечивает динамичность e-up!?

Во время процесса заряда ионы лития (изображены красным цветом) из катода (справа) перемещаются через сепаратор к аноду и размещаются в структуре графита.

Что же кроется в автомобильном аккумуляторе?

Конструкция Если уж быть максимально точным, то автомобильные батареи – это не батареи, а аккумуляторы. Они состоят из многих элементов, которые производят электрический ток. В e-up! таких, например, около 200. Их составные части – это катод (положительный электрод) из оксида лития-кобальта и анод (отрицательный электрод) из графита. Катод и анод разделены сепаратором, то есть, тонкой синтетической мембраной, которая изолирует электроды, но пропускает через себя ионы. Кроме того, аккумуляторы заполнены токопроводящей жидкостью, электролитом.


Процесс работы В катоде между слоями оксида металла находятся свободные ионы лития. Во время заряда они перемещаются в электролите между слоями графита в аноде. Здесь они собирают электроны. Для электромобиля важным критерием является так называемая энергоёмкость аккумулятора, которая измеряется в ваттах в час на килограмм (Вт·ч/кг). Чем больше в катоде свободных ионов лития, тем больше во время заряда они могут накапливаться на противоположной стороне, на анодах, и тем дальше может ехать электромобиль. При разряде ионы перемещаются в электролите от графита на положительный электрод из оксида металла..

Срок службы.

Срок службы измеряется в циклах заряда. К серийному производству пригодны элементы, если они способны работать более 1 600 циклов. Сразу же после заряда аккумулятор пытается восстановить свое термодинамическое состояние покоя. Он постоянно разряжается, даже если его не используют. Этот эффект называется саморазрядом. Кроме того, аккумулятор стареет, в зависимости от того, когда, как и как долго используется электромобиль и производится заряд. Факторы окружающей среды также влияют на обе формы. Саморазряд увеличивается при повышении температуры. При неиспользовании и в прохладных условиях аккумулятор дольше сохраняет заряд. Если же вы используете свой электромобиль, то на морозе аккумулятор стареет быстрее, потому что ионы становятся инертными и для их передвижения требуется больше силы. В результате возможен такой феномен, как «осаждение лития». При этом литий накапливается на аноде, вступает в реакцию и образует прочный слой, который больше не пропускает ионы. Исследователи ищут пути для продления срока службы аккумуляторов. Они испытывают самые различные материалы, которые менее чувствительны к температурам.

Энергия и мощность.

Вторая важная тема – это сам энергетический вопрос, то есть, доступность, электрический запас хода, время заряда и соответствующая инфраструктура. Для увеличения запаса хода необходимо снизить вес аккумуляторов. Элементы составляют около 62 процентов общего веса электромобиля. Поэтому исследователи работают над внедрением легковесных конструкций, то есть, над не активными деталями. Плоды этой работы уже налицо. Например, в аккумуляторах первого поколения элементы соединялись болтами, а для второго использовалась сварка. Это снижает вес. Кроме того, идет работа над оптимизацией использования монтажного пространства. Разработчики поставили перед собой цель – удвоить производительность аккумуляторов, используя то же пространство. В вопросах повышения запаса хода также ведутся исследования материалов. Volkswagen совершенствует литий-ионные элементы и изучает новые комбинации материалов, например, литий-серные аккумуляторы могут иметь энергоёмкость на уровне 600 Вт·ч/кг, а литий-кислородные – 1000 Вт·ч/кг. Долговременные испытания покажут, смогут ли данные изделия соответствовать критериям серийного производства. С этим вопросом тесно связан следующий аспект – мощность, поскольку динамичность движения, ускорение или торможение в различных областях применения, например, для гибридов с возможностью подключения к электросети (PHEV) или для электромобилей, ставят перед аккумуляторами высокие требования.

Что происходит во время торможения?

Добро пожаловать в анод! Здесь ионы лития (красные) поглощают электроны (желтые). Чем больше в катоде свободных ионов, тем больше во время заряда они могут накапливаться на анодах, и тем дальше может ехать электромобиль.

Безопасность.

Безопасность – это чрезвычайно важная тема. Высокая энергоёмкость в небольшом пространстве может привести к коротким замыканиям и пожарам. Аккумуляторы должны быть защищены так, чтобы в случае аварии никто не подвергался опасности. В электромобилях Volkswagen аккумулятор установлен таким образом, чтобы во время аварий никто не мог пострадать. Кроме того, Volkswagen продолжает работу над исследованиями материалов, которые не допускают возникновения нежелательных химических реакций. К тому же, в обычном режиме эксплуатации автомобиля аккумуляторы должны быть безопасными и удобными для технического обслуживания и ремонта. В конечном итоге, стоимость аккумуляторов должна быть сопоставима с традиционными двигателями.

Стоимость.

Рассмотрим последний и в то же время решающий критерий: стоимость. Аккумулятор для электромобилей дороже на несколько тысяч евро. Без батареи на серийное производство электромобилей требовались бы примерно такие же расходы, как и на изготовление бензиновых автомобилей. Поэтому отдел научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ забоится о том, чтобы автомобили стали доступны для более широкого круга клиентов и работает над сбалансированным круговоротом веществ: все части аккумуляторов должны быть пригодны к дальнейшему использованию или переработке. Это вклад в охрану окружающей среды, и, к тому же, позволяет снизить цену. Аккумулятор будет оставаться настоящим вызовом для исследователей и в будущем. Ведь многие хотят испробовать новые приводы. В августе 2013 года репрезентативный опрос немецкого отраслевого союза BITKOM показал, что одна треть немцев не прочь обзавестись автомобилем, работающим на батареях. Правда, 40 процентов из них – при условии, что стоимость такого транспортного средства будет не выше, чем стоимость обычного автомобиля.

 

Проводя собственные исследования, Volkswagen делает свой вклад в будущее мобильности. Даже если никакой внезапной технической революции и не произойдет, как в случае с миниатюризацией компьютерных чипов, следующие годы изменят многое. Ведь независимо от привода, электрического, гибридного или современного ДВС, результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ будут внедрены во всех будущих автомобилях Volkswagen.