Akumulator pojazdu elektrycznego - Electric vehicle battery

Przekrój Nissan Leaf pokazujący część akumulatora w 2009 r.

Bateria elektrycznego pojazdu ( EVB , znany również jako akumulator trakcyjny ) to akumulator używany do zasilania silników elektrycznych o pojeździe baterii elektrycznych (BEV) lub hybrydowy pojazd elektryczny (HEV). Baterie te są zwykle bateriami wielokrotnego ładowania (wtórnymi) i są to zazwyczaj baterie litowo-jonowe . Baterie te są specjalnie zaprojektowane do dużej pojemności w amperogodzinach (lub kilowatogodzinach).

Akumulatory do pojazdów elektrycznych różnią się od akumulatorów rozruchowych, oświetleniowych i zapłonowych (SLI), ponieważ są zaprojektowane tak, aby dostarczać energię przez dłuższy czas i są akumulatorami o głębokim cyklu . Akumulatory do pojazdów elektrycznych charakteryzują się stosunkowo wysokim stosunkiem mocy do masy , energią właściwą i gęstością energii ; mniejsze, lżejsze akumulatory są pożądane, ponieważ zmniejszają masę pojazdu, a tym samym poprawiają jego osiągi. W porównaniu z paliwami płynnymi większość obecnych technologii akumulatorów ma znacznie niższą energię właściwą , co często ma wpływ na maksymalny zasięg pojazdu w trybie całkowicie elektrycznym.

Najpopularniejszym typem baterii w nowoczesnych pojazdach elektrycznych są litowo-jonowe i litowo-polimerowe , ze względu na ich wysoką gęstość energii w porównaniu z ich wagą. Inne typy akumulatorów stosowanych w pojazdach elektrycznych obejmują kwasowo-ołowiowe („zalane”, o głębokim cyklu i kwasowo-ołowiowe regulowane zaworami ), niklowo-kadmowe , niklowo-metalowo-wodorkowe i rzadziej cynkowo-powietrzne i sodowo-niklowe baterie chlorkowe („zebra”) . Ilość energii elektrycznej (tj. ładunek elektryczny) zmagazynowanej w akumulatorach mierzy się w amperogodzinach lub w kulombach , przy czym całkowita energia jest często mierzona w kilowatogodzinach .

Od końca lat 90. postęp w technologii akumulatorów litowo-jonowych był napędzany przez zapotrzebowanie na przenośną elektronikę, laptopy, telefony komórkowe i elektronarzędzia. Rynek pojazdów BEV i HEV odniósł korzyści z tych postępów zarówno pod względem wydajności, jak i gęstości energii. W przeciwieństwie do wcześniejszych rodzajów baterii, zwłaszcza niklowo-kadmowych , baterie litowo-jonowe można rozładowywać i ładować codziennie iw dowolnym stanie naładowania.

Akumulator stanowi znaczny koszt BEV lub HEV. W grudniu 2019 r. koszt akumulatorów pojazdów elektrycznych spadł o 87% od 2010 r. w przeliczeniu na kilowatogodzinę. Od 2018 roku pojazdy z całkowicie elektrycznym zasięgiem 400 mil, takie jak Tesla Model S , zostały wprowadzone na rynek i są teraz dostępne w wielu segmentach pojazdów.

Jeśli chodzi o koszty operacyjne, cena energii elektrycznej do napędzania pojazdu typu BEV stanowi niewielki ułamek kosztu paliwa dla równoważnych silników spalinowych wewnętrznego spalania, co odzwierciedla wyższą efektywność energetyczną .

Typy akumulatorów pojazdów elektrycznych

Stare: Baterie konwencjonalnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych są nadal używane do napędu niektórych pojazdów typu BEV.
Cela cylindryczna (18650) przed montażem.
Elektronika monitorująca akumulator litowo-jonowy (ochrona przed przeładowaniem i rozładowaniem)

kwas ołowiowy

Zalane akumulatory kwasowo-ołowiowe są najtańszymi, aw przeszłości najczęściej dostępnymi akumulatorami samochodowymi. Istnieją dwa główne typy akumulatorów kwasowo-ołowiowych: akumulatory rozruchowe silnika samochodowego i akumulatory o głębokim cyklu. Akumulatory rozruchowe silników samochodowych są zaprojektowane tak, aby wykorzystywały niewielki procent ich pojemności, aby zapewnić wysokie szybkości ładowania w celu uruchomienia silnika, podczas gdy akumulatory głębokiego cyklu są używane do dostarczania ciągłej energii elektrycznej do napędzania pojazdów elektrycznych, takich jak wózki widłowe lub wózki golfowe. Akumulatory głębokiego cyklu są również wykorzystywane jako akumulatory pomocnicze w pojazdach rekreacyjnych, ale wymagają innego, wielostopniowego ładowania. Żaden akumulator kwasowo-ołowiowy nie powinien być rozładowywany poniżej 50% jego pojemności, ponieważ skraca to żywotność akumulatora. Zalane akumulatory wymagają kontroli poziomu elektrolitu i okazjonalnej wymiany wody, która wygazowuje podczas normalnego cyklu ładowania.

Wcześniej większość pojazdów elektrycznych używała akumulatorów kwasowo-ołowiowych ze względu na ich dojrzałą technologię, wysoką dostępność i niski koszt, z godnym uwagi wyjątkiem niektórych wczesnych pojazdów typu BEV, takich jak Detroit Electric, w którym zastosowano akumulator niklowo-żelazowy . Akumulatory ołowiowe o głębokim cyklu są drogie i mają krótszą żywotność niż sam pojazd, zwykle wymagają wymiany co 3 lata.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe w zastosowaniach EV stanowią znaczną (25-50%) część końcowej masy pojazdu. Jak wszystkie akumulatory, mają one znacznie niższą energię właściwą niż paliwa ropopochodne – w tym przypadku 30–50 Wh/kg. Chociaż różnica nie jest tak ekstremalna, jak się wydaje, ze względu na lżejszy układ napędowy w EV, nawet najlepsze akumulatory mają tendencję do zwiększania masy, gdy są stosowane w pojazdach o normalnym zasięgu. Sprawność (70–75%) i pojemność magazynowa obecnej generacji powszechnie stosowanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych o głębokim cyklu zmniejszają się wraz z niższymi temperaturami, a przekierowanie mocy do napędzania cewki grzejnej zmniejsza wydajność i zasięg nawet o 40%.

Ładowanie i działanie akumulatorów zwykle powoduje emisję wodoru , tlenu i siarki , które występują naturalnie i normalnie są nieszkodliwe, jeśli są odpowiednio wentylowane. Wcześni właściciele Citicar odkryli, że jeśli nie będą odpowiednio wentylowane, nieprzyjemne zapachy siarki przedostaną się do kabiny natychmiast po naładowaniu.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe zasilały tak wczesne nowoczesne pojazdy elektryczne, jak oryginalne wersje EV1 .

Wodorek niklu

Moduł akumulatora GM Ovonic NiMH

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe są obecnie uważane za stosunkowo dojrzałą technologię . Chociaż są mniej wydajne (60-70%) w ładowaniu i rozładowywaniu niż nawet kwasy ołowiowe, mają energię właściwą 30-80 Wh/kg, znacznie wyższą niż kwasy ołowiowe. Przy prawidłowym użytkowaniu akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe mogą mieć wyjątkowo długą żywotność, co wykazano w ich stosowaniu w samochodach hybrydowych oraz w zachowanych pojazdach elektrycznych Toyota RAV4 NiMH pierwszej generacji, które nadal działają dobrze po przejechaniu 100 000 mil (160 000 km) i ponad dekada służby. Wady to słaba wydajność, wysokie samorozładowanie, bardzo wybredne cykle ładowania i słaba wydajność w chłodne dni.

GM Ovonic wyprodukował akumulator NiMH stosowany w drugiej generacji EV-1, a Cobasys produkuje prawie identyczny akumulator (dziesięć ogniw NiMH 1,2 V 85 Ah połączonych szeregowo w przeciwieństwie do jedenastu ogniw w akumulatorze Ovonic). Działało to bardzo dobrze w EV-1. Obciążenie patentami ograniczyło w ostatnich latach zastosowanie tych baterii.

Zebra

Chlorek niklu sodu lub „zebra” bateria wykorzystuje stopionego chloroaluminate sodu (NaAlCl 4 ) jako soli elektrolitu. Akumulator Zebra, stosunkowo dojrzała technologia, ma energię właściwą 120 Wh/kg. Ponieważ bateria musi być podgrzana przed użyciem, zimna pogoda nie wpływa silnie na jej działanie, z wyjątkiem rosnących kosztów ogrzewania. Były one używane w kilku pojazdach elektrycznych, takich jak pojazd użytkowy Modec . Baterie Zebra wytrzymują kilka tysięcy cykli ładowania i są nietoksyczne. Wady baterii Zebra obejmują słabą moc właściwą (<300 W/kg) oraz konieczność podgrzania elektrolitu do około 270 °C (518 °F), co powoduje marnowanie energii, stwarza trudności w długotrwałym przechowywaniu ładować i stanowi potencjalne zagrożenie.

Litowo-jonowa

Mężczyzna rozcinający baterię litowo-jonową do użytku w pojeździe elektrycznym

Baterie litowo-jonowe (i podobne pod względem mechanicznym baterie litowo-polimerowe) zostały początkowo opracowane i wprowadzone na rynek do użytku w laptopach i elektronice użytkowej. Dzięki wysokiej gęstości energii i długiemu cyklowi życia stały się wiodącym typem baterii do użytku w pojazdach elektrycznych. Pierwszą komercyjną chemią litowo-jonową była katoda z tlenku litowo-kobaltowego i anoda grafitowa po raz pierwszy zademonstrowana przez N. Godshalla w 1979 roku, a wkrótce potem przez Johna Goodenougha i Akira Yoshino . Wadą tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych jest wrażliwość na temperaturę, wydajność zasilania w niskich temperaturach oraz pogorszenie wydajności wraz z wiekiem. Ze względu na lotność elektrolitów organicznych, obecność silnie utlenionych tlenków metali oraz niestabilność termiczną warstwy anodowej SEI, tradycyjne akumulatory litowo-jonowe stwarzają zagrożenie pożarowe w przypadku nieprawidłowego przebicia lub naładowania. Te wczesne ogniwa nie przyjmowały ani nie dostarczały ładunku, gdy były ekstremalnie zimne, dlatego w niektórych klimatach do ich ogrzania mogą być potrzebne grzejniki. Dojrzałość tej technologii jest umiarkowana. Tesla Roadster (2008) i inne samochody produkowane przez firmę stosować zmodyfikowaną formę tradycyjnych litowo-jonowych ogniw akumulatorowych „laptop”.

Najnowsze pojazdy elektryczne wykorzystują nowe odmiany chemii litowo-jonowej, które poświęcają określoną energię i określoną moc, aby zapewnić ognioodporność, przyjazność dla środowiska, szybkie ładowanie (w ciągu kilku minut) i dłuższą żywotność. Wykazano, że te warianty (fosforany, tytaniany, spinele itp.) mają znacznie dłuższą żywotność, przy czym typy A123 wykorzystujące fosforan litowo-żelazowy trwają co najmniej ponad 10 lat i ponad 7000 cykli ładowania/rozładowania, a LG Chem spodziewa się ich Baterie litowo-manganowe ze spinelem wytrzymują do 40 lat.

W laboratorium wykonuje się wiele pracy nad akumulatorami litowo-jonowymi. Tlenek litowo-wanadowy trafił już do prototypu Subaru G4e , podwajając gęstość energii. Nanodruty krzemowe, nanocząstki krzemu i nanocząstki cyny obiecują kilkakrotnie większą gęstość energii w anodzie, a katody kompozytowe i supersieciowe również obiecują znaczną poprawę gęstości.

Nowe dane wykazały, że narażenie na ciepło i korzystanie z szybkiego ładowania sprzyja degradacji akumulatorów litowo-jonowych ponad wiek i faktyczne użytkowanie, a przeciętny akumulator pojazdu elektrycznego zachowa 90% swojej początkowej pojemności po 6 latach i 6 miesiącach usługi. Na przykład akumulator w Nissanie LEAF zużyje się dwa razy szybciej niż akumulator w Tesli, ponieważ LEAF nie ma aktywnego układu chłodzenia akumulatora.

Pojemność baterii

Samochody hybrydowe bez wtyczki mają pojemność akumulatora od 0,65 kWh (2012 Honda Civic Hybrid ) do 1,8 kWh (2001 Toyota Prius ).

Samochody hybrydowe typu plug-in mają pojemność akumulatora od 4,4 kWh (2012 Toyota Prius Plug-in Hybrid ) do 34 kWh ( Polestar 1 ).

Samochody całkowicie elektryczne mają pojemność baterii od 6,0 ​​kWh (2012 Renault Twizy ) do 100 kWh (2012 Tesla Model S i 2015 Tesla Model X ).

Koszt baterii

Krzywa uczenia się akumulatorów litowo-jonowych: cena akumulatorów spadła o 97% w ciągu trzech dekad.
Prototypy akumulatora litowo-jonowo-polimerowego 50 W⋅h/kg . Nowsze ogniwa litowo-jonowe mogą dostarczyć do 265 W⋅h/kg i wytrzymać tysiące cykli ładowania.

W 2010 roku naukowcy z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego zapłacili 10 000 USD za certyfikowany akumulator EV o pojemności 25 kWh (tj. 400 USD/kWh), bez rabatów i dopłat. Dwóch z 15 producentów akumulatorów mogło dostarczyć niezbędne dokumenty techniczne dotyczące jakości i bezpieczeństwa przeciwpożarowego. W 2010 roku szacowano, że upłynie najwyżej 10 lat, zanim cena baterii spadnie do jednej trzeciej.

Według badania przeprowadzonego w 2010 r. przez Narodową Radę ds. Badań Naukowych Stanów Zjednoczonych , koszt zestawu akumulatorów litowo-jonowych wyniósł około 1700 USD / kWh energii użytkowej, a biorąc pod uwagę, że PHEV -10 wymaga około 2,0 kWh, a PHEV-40 około 8 kWh, koszt producenta zestawu akumulatorów do PHEV-10 wynosi około 3000 USD, a dla PHEV-40 wzrasta do 14 000 USD . MIT Technology Review szacuje koszt samochodowych akumulatorów być między USA $ 225 do 500 US $ za kilowatogodzinę do roku 2020. A 2013 badanie przeprowadzone przez Amerykańską Radę do energooszczędnej gospodarki poinformował, że koszty akumulatorów zstąpił z USA $ +1.300 / kWh w 2007 do 500 USD /kWh w 2012 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych wyznaczył cele kosztów sponsorowanych badań dotyczących baterii w wysokości 300 USD /kWh w 2015 r. i 125 USD /kWh do 2022 r. Redukcja kosztów dzięki postępowi w technologii akumulatorów i większej produkcji pozwalają pojazdom elektrycznym typu plug-in na większą konkurencyjność w stosunku do pojazdów z konwencjonalnymi silnikami spalinowymi. W 2016 roku światowa zdolność produkcyjna akumulatorów litowo-jonowych wyniosła 41,57 GW⋅h.

Rzeczywiste koszty ogniw są przedmiotem wielu dyskusji i spekulacji, ponieważ większość producentów pojazdów elektrycznych odmawia szczegółowego omawiania tego tematu. Jednak w październiku 2015 r. producent samochodów GM ujawnił na dorocznej Światowej Konferencji Biznesowej, że spodziewa się ceny ogniw litowo-jonowych na poziomie 145 USD /kWh, która wejdzie w 2016 r., co jest znacznie niższą niż szacunków kosztowych innych analityków. GM spodziewa się również kosztu 100 USD za kWh do końca 2021 r.

Według badania opublikowanego w lutym 2016 r. przez Bloomberg New Energy Finance (BNEF), ceny akumulatorów spadły o 65% od 2010 r., a tylko o 35% w 2015 r., osiągając 350 USD /kWh. W badaniu stwierdza, że koszty akumulatorów są na trajektorii, aby pojazdy elektryczne bez dotacji rządowych jak niedrogie jako wewnętrzne samochodach silników spalinowych w większości krajów od 2022 r BNEF projektów, które w 2040 roku, dalekiego zasięgu samochodów elektrycznych będzie kosztować mniej niż US $ +22.000 wyrażone w 2016 dolarów. BNEF spodziewa się, że do 2030 r. koszty akumulatorów do samochodów elektrycznych spadną znacznie poniżej 120 USD /kWh, a następnie będą dalej spadać, gdy pojawią się nowe chemikalia.

Porównanie szacunkowych kosztów baterii
Typ Baterii Rok Koszt (USD/kWh)
Li-ion 2016 130-145
Li-ion 2014 200–300
Li-ion 2012 500–600
Li-ion 2012 400
Li-ion 2012 520–650
Li-ion 2012 752
Li-ion 2012 689
Li-ion 2013 800–1000
Li-ion 2010 750
Wodorek niklu 2004 750
Wodorek niklu 2013 500–550
Wodorek niklu 350
kwasowo-ołowiowy 256,68

Porównanie szacunkowej żywotności baterii
Typ Baterii Rok wyceny Cykle Miles Lata
Li-ion 2016 > 4000 1 000 000 >10
Li-ion 2008 100 000 5
Li-ion 60 000 5
Li-ion 2002 2-4
Li-ion 1997 >1000
Wodorek niklu 2001 100 000 4
Wodorek niklu 1999 >90 000
Wodorek niklu 200 000
Wodorek niklu 1999 1000 93 205,7
Wodorek niklu 1995 <2000
Wodorek niklu 2002 2000
Wodorek niklu 1997 >1000
Wodorek niklu 1997 >1000
kwasowo-ołowiowy 1997 300–500 3

Parzystość EV

W 2010 r. profesor baterii Poul Norby stwierdził, że uważa, że ​​baterie litowe będą musiały podwoić swoją energię właściwą i obniżyć cenę z 500 USD (2010) do 100 USD za kWh , aby wywrzeć wpływ na samochody benzynowe. Citigroup wskazuje 230 USD/kWh.

Oficjalna strona wtyczki Toyota Prius 2012 deklaruje zasięg 21 km (13 mil) i pojemność akumulatora 5,2 kWh przy stosunku 4 km (2,5 mil)/kWh, podczas gdy pojazd użytkowy Addax (model 2015) osiąga już 110 km (68,5 mil) lub stosunek 7,5 km (4,6 mil)/kWh.

Samochody elektryczne z akumulatorem zużywają energię od 2,5 mili (4,0 km)/kWh (85 MPGe ) do 5,0 mil (8,0 km)/kWh (135 MPGe).

Stany Zjednoczone Sekretarz Energii Steven Chu przewidywane koszty dla szeregu baterii 40 mil spadnie z ceną w 2008 roku US $ 12.000 US $ 3600 w roku 2015, a następnie do USA 1500 $ do 2020 roku litowo-ion, Li-poly, aluminium lotniczego akumulatory i akumulatory cynkowo-powietrzne wykazały wystarczająco wysoką energię właściwą, aby zapewnić zasięg i czasy ładowania porównywalne z konwencjonalnymi pojazdami napędzanymi paliwami kopalnymi.

Parytet kosztów

Ważne są różne koszty. Jedną z kwestii jest cena zakupu, drugą jest całkowity koszt posiadania. Od 2015 r. samochody elektryczne są droższe w początkowym zakupie, ale tańsze w eksploatacji, a przynajmniej w niektórych przypadkach całkowity koszt posiadania może być niższy.

Według Kammena i in., 2008 r. nowe pojazdy PEV stałyby się opłacalne dla konsumentów, gdyby ceny baterii spadły z 1300 USD/kWh do około 500 USD/kWh (aby akumulator mógł się sam zwrócić).

W 2010 roku akumulator Nissana Leaf został podobno wyprodukowany w cenie 18 000 USD. Początkowe koszty produkcji Nissana w momencie wprowadzenia na rynek Leaf wynosiły zatem około 750 USD za kilowatogodzinę (dla akumulatora 24 kWh).

W 2012 roku McKinsey Quarterly powiązał ceny akumulatorów z cenami benzyny na podstawie 5-letniego całkowitego kosztu posiadania samochodu, szacując, że 3,50 USD/galon odpowiada 250 USD/kWh. W 2017 r. McKinsey oszacował, że samochody elektryczne będą konkurencyjne przy koszcie zestawu akumulatorów wynoszącym 100 USD/kWh (spodziewany około 2030 r.) i spodziewa się, że do 2020 r. koszty zestawu wyniosą 190 USD/kWh.

W październiku 2015 r. producent samochodów GM ujawnił na dorocznej Światowej Konferencji Biznesowej, że spodziewa się ceny 145 USD za kilowatogodzinę za ogniwa litowo-jonowe wchodzące w 2016 r.

Parzystość zakresu

Parzystość zasięgu jazdy oznacza, że ​​pojazd elektryczny ma taki sam zasięg jak przeciętny pojazd z pełnym spalaniem (500 kilometrów lub 310 mil), z akumulatorami o energii jednostkowej większej niż 1  kWh/kg . Większy zasięg oznacza, że ​​pojazdy elektryczne pokonałyby więcej kilometrów bez ładowania.

Urzędnicy japońscy i unijni prowadzą rozmowy na temat wspólnego opracowania zaawansowanych akumulatorów do samochodów elektrycznych, które pomogą krajom zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych. Opracowanie baterii, która może zasilać pojazd elektryczny 500 kilometrów (310 mil) na jednym ładowaniu, jest możliwe, powiedział japoński producent baterii GS Yuasa Corp. Sharp Corp i GS Yuasa należą do japońskich producentów ogniw słonecznych i baterii, którzy mogą skorzystać na współpracy .

  • Akumulator litowo-jonowy w AC Propulsion tzero zapewnia 400 do 500 km (200 do 300 mil) zasięgu na jedno ładowanie (zakres pojedynczego ładowania). Cena katalogowa tego pojazdu, gdy został wypuszczony w 2003 roku, wynosiła 220 000 USD.
  • Jadąc Daihatsu Mira wyposażonym w akumulatory litowo-jonowe o pojemności 74  kWh , Japan EV Club ustanowił rekord świata dla samochodu elektrycznego: 1003 km (623 mil) bez ładowania.
  • Zonda Bus , w Jiangsu , Chiny oferuje Zonda Bus New Energy o zasięgu 500 kilometrów (310 mil) tylko na napędzie elektrycznym.
  • Supersamochód Rimac Concept One z akumulatorem 82 kWh ma zasięg 500 km. Samochód budowany jest od 2013 roku.
  • W pełni elektryczny samochód BYD e6 z baterią 60 kWh ma zasięg 300 km.

Specyfika

Elementy wewnętrzne

Elektryczna ciężarówka e-Force One. Akumulator między osiami.

Projekty zestawów akumulatorów do pojazdów elektrycznych (EV) są złożone i różnią się znacznie w zależności od producenta i konkretnego zastosowania. Jednak wszystkie zawierają kombinację kilku prostych układów mechanicznych i elektrycznych, które spełniają podstawowe wymagane funkcje pakietu.

Rzeczywiste ogniwa baterii mogą mieć różną chemię, kształty fizyczne i rozmiary, zgodnie z preferencjami różnych producentów opakowań. Pakiety baterii zawsze będą zawierać wiele dyskretnych ogniw połączonych szeregowo i równolegle, aby osiągnąć całkowite wymagania dotyczące napięcia i prądu pakietu. Zestawy akumulatorów do wszystkich pojazdów elektrycznych z napędem elektrycznym mogą zawierać kilkaset pojedynczych ogniw. Każde ogniwo ma nominalne napięcie 3-4 V , w zależności od jego składu chemicznego.

Aby wspomóc produkcję i montaż, duży stos ogniw jest zwykle pogrupowany w mniejsze stosy zwane modułami. Kilka z tych modułów zostanie umieszczonych w jednym opakowaniu. W każdym module ogniwa są ze sobą zespawane, aby uzupełnić ścieżkę elektryczną dla przepływu prądu. Moduły mogą również zawierać mechanizmy chłodzące, monitory temperatury i inne urządzenia. W większości przypadków moduły umożliwiają również monitorowanie napięcia wytwarzanego przez każde ogniwo akumulatora w stosie za pomocą systemu zarządzania akumulatorem (BMS).

Stos ogniw akumulatora ma główny bezpiecznik, który ogranicza prąd pakietu w przypadku zwarcia. „Wtyczkę serwisową” lub „odłącznik serwisowy” można wyjąć, aby podzielić stos akumulatorów na dwie elektrycznie izolowane połówki. Po usunięciu wtyczki serwisowej odsłonięte główne zaciski akumulatora nie stanowią wysokiego potencjalnego zagrożenia elektrycznego dla techników serwisowych.

Pakiet akumulatorów zawiera również przekaźniki lub styczniki, które sterują dystrybucją energii elektrycznej pakietu akumulatorów do zacisków wyjściowych. W większości przypadków będą co najmniej dwa główne przekaźniki, które łączą stos ogniw akumulatora z głównymi dodatnimi i ujemnymi zaciskami wyjściowymi pakietu, które następnie dostarczają wysoki prąd do elektrycznego silnika napędowego. Niektóre konstrukcje pakietów będą zawierać alternatywne ścieżki prądowe do wstępnego ładowania układu napędowego przez rezystor ładowania wstępnego lub do zasilania pomocniczej szyny, która również będzie miała własne powiązane przekaźniki sterujące. Ze względów bezpieczeństwa wszystkie te przekaźniki są normalnie otwarte.

Pakiet baterii zawiera również różne czujniki temperatury, napięcia i prądu. Zbieranie danych z czujników pakietu i aktywacja przekaźników pakietu są realizowane przez jednostkę monitorowania akumulatora (BMU) lub system zarządzania akumulatorem (BMS). BMS odpowiada również za komunikację z pojazdem poza pakietem akumulatorów.

Ładowanie

Baterie w pojazdach typu BEV muszą być okresowo doładowywane. BEVs najczęściej pobierają z sieci elektroenergetycznej (w domu lub przy ulicy lub w sklepie punktu doładowania ), który z kolei jest generowany z różnych źródeł krajowych, takich jak węgiel , elektrownie wodne , jądrowej , gazu ziemnego i innych. Energia z domu lub sieci, taka jak panele fotowoltaicznych ogniw słonecznych, wiatr lub mikrohydro może być również wykorzystywana i jest promowana ze względu na obawy dotyczące globalnego ocieplenia .

Przy odpowiednich zasilaczach, dobrą żywotność baterii osiąga się zwykle przy szybkości ładowania nieprzekraczającej połowy pojemności baterii na godzinę ( "0,5 C " ), tym samym do pełnego naładowania potrzeba dwóch lub więcej godzin, ale szybsze ładowanie jest dostępne nawet dla baterie o dużej pojemności.

Czas ładowania w domu jest ograniczony pojemnością domowego gniazdka elektrycznego , chyba że wykonywane są specjalistyczne prace elektryczne. W USA, Kanadzie, Japonii i innych krajach o napięciu 110 V zwykłe gniazdko domowe dostarcza 1,5 kilowata . W krajach europejskich o napięciu 230 V można dostarczyć energię elektryczną o mocy od 7 do 14 kilowatów (odpowiednio jednofazowa i trójfazowa 230 V/400 V (400 V międzyfazowa )). W Europie podłączenie do sieci 400 V (trójfazowe 230 V) jest coraz bardziej popularne, ponieważ nowsze domy nie mają podłączenia do gazu ziemnego ze względu na przepisy bezpieczeństwa Unii Europejskiej.

Czas ładowania

Samochody elektryczne, takie jak Tesla Model S , Renault Zoe , BMW i3 itp., mogą naładować akumulatory do 80 procent na stacjach szybkiego ładowania w ciągu 30 minut. Na przykład, ładowanie Tesla Model 3 Long Range na 250 kW Tesla Version 3 Supercharger przeszło z 2% stanu naładowania przy 6 milach (9,7 km) zasięgu do 80% stanu naładowania przy 240 milach (390 km) zasięgu w 27 minut, co odpowiada 520 milom (840 km) na godzinę.

Złącza

Moc ładowania można podłączyć do samochodu na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest bezpośrednie połączenie elektryczne znane jako sprzężenie przewodzące . Może to być tak proste, jak podłączenie zasilania do gniazdka odpornego na warunki atmosferyczne za pomocą specjalnych kabli o dużej pojemności ze złączami, które chronią użytkownika przed wysokimi napięciami . Nowoczesnym standardem ładowania pojazdów typu plug-in jest złącze przewodzące SAE 1772 (IEC 62196 Type 1) w USA. ACEA wybrał VDE-AR-E 02/02/2623 (IEC 62196 typ 2) do wdrożenia w Europie, które bez zatrzasku, środki niepotrzebne dodatkowe wymagania energetyczne dla mechanizmu blokującego.

Drugie podejście znane jest jako ładowanie indukcyjne . W gnieździe w samochodzie wkłada się specjalną „wiosło”. Łopatka to jedno uzwojenie transformatora , a drugie wbudowane w samochód. Po włożeniu łopatki tworzy obwód magnetyczny, który zasila akumulator. W jednym systemie ładowania indukcyjnego jedno uzwojenie mocowane jest pod spodem auta, a drugie pozostaje na podłodze garażu. Zaletą podejścia indukcyjnego jest brak możliwości porażenia prądem, ponieważ nie ma odsłoniętych przewodów, chociaż blokady, specjalne złącza i detektory zwarć doziemnych mogą sprawić, że sprzężenie przewodzące będzie prawie tak samo bezpieczne. Ładowanie indukcyjne może również zmniejszyć masę pojazdu, przenosząc więcej elementów ładujących poza pokład. Zwolennik ładowania indukcyjnego z firmy Toyota twierdził w 1998 r., że ogólne różnice w kosztach są minimalne, podczas gdy zwolennik ładowania przewodowego z Forda twierdził, że ładowanie przewodowe jest bardziej opłacalne.

Punkty ładowania

Od kwietnia 2020 r. na całym świecie jest 93 439 lokalizacji i 178 381 stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Zasięg podróży przed ładowaniem

Zasięg BEV zależy od liczby i rodzaju używanych baterii. Waga i rodzaj pojazdu, a także ukształtowanie terenu, pogoda i osiągi kierowcy również mają wpływ, podobnie jak na przebieg tradycyjnych pojazdów . Wydajność konwersji pojazdu elektrycznego zależy od wielu czynników, w tym od składu chemicznego akumulatora:

  • Najbardziej dostępne i niedrogie są akumulatory kwasowo-ołowiowe. Takie konwersje mają zwykle zasięg od 30 do 80 km (20 do 50 mil). Produkcja pojazdów elektrycznych z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi może przejechać do 130 km (80 mil) na jednym ładowaniu.
  • Akumulatory NiMH mają wyższą energię właściwą niż kwasowo-ołowiowe; prototypowe pojazdy elektryczne zapewniają do 200 km (120 mil) zasięgu.
  • Nowe pojazdy elektryczne wyposażone w akumulatory litowo-jonowe zapewniają 320-480 km (200-300 mil) zasięgu na jednym ładowaniu. Lit jest również tańszy niż nikiel.
  • Akumulatory niklowo-cynkowe są tańsze i lżejsze niż akumulatory niklowo-kadmowe . Są też tańsze niż (ale nie tak lekkie jak) akumulatory litowo-jonowe.

Wewnętrzny opór pewnych baterii może być znacznie zwiększona w niskiej temperaturze, co może spowodować zauważalny spadek w przedziale od pojazdu i na żywotność baterii.

Znalezienie ekonomicznej równowagi między zasięgiem a wydajnością, pojemnością akumulatora w porównaniu z wagą oraz rodzajem akumulatora w porównaniu z kosztami stanowi wyzwanie dla każdego producenta pojazdów elektrycznych.

Dzięki systemowi AC lub zaawansowanemu systemowi DC hamowanie odzyskowe może zwiększyć zasięg nawet o 50% w ekstremalnych warunkach ruchu bez całkowitego zatrzymania. W przeciwnym razie zasięg zwiększa się o około 10 do 15% podczas jazdy po mieście i tylko nieznacznie w przypadku jazdy po autostradzie, w zależności od terenu.

Pojazdy typu BEV (w tym autobusy i ciężarówki) mogą również korzystać z przyczep z agregatem prądotwórczym i przyczep z pchaczami , aby w razie potrzeby zwiększyć swój zasięg bez dodatkowego obciążenia podczas normalnego użytkowania na krótkim dystansie. Rozładowane przyczepy koszowe można w drodze wymienić na naładowane. W przypadku wynajmu, koszty utrzymania mogą zostać odłożone na agencję.

Niektóre pojazdy typu BEV mogą stać się pojazdami hybrydowymi w zależności od typu przyczepy i samochodu oraz rodzaju energii i układu napędowego.

Przyczepy

Pojemność akumulatora pomocniczego przewożonego w przyczepie może zwiększyć całkowity zasięg pojazdu, ale także zwiększa utratę mocy wynikającą z oporu aerodynamicznego , zwiększa efekt przenoszenia masy i zmniejsza przyczepność .

Zamiana i usuwanie

Alternatywą dla ładowania jest wymiana rozładowanych lub prawie rozładowanych akumulatorów (lub modułów przedłużających zasięg akumulatorów ) na w pełni naładowane akumulatory. Nazywa się to wymianą baterii i odbywa się na stacjach wymiany .

Funkcje stacji wymiany obejmują:

  1. Konsument nie przejmuje się już kosztami kapitałowymi baterii, cyklem życia, technologią, konserwacją ani kwestiami gwarancyjnymi;
  2. Wymiana jest znacznie szybsza niż ładowanie: sprzęt do wymiany baterii zbudowany przez firmę Better Place wykazał automatyczne wymiany w mniej niż 60 sekund;
  3. Stacje swapowe zwiększają możliwość rozproszonego magazynowania energii za pośrednictwem sieci elektrycznej;

Obawy dotyczące stacji wymiany obejmują:

  1. Możliwość oszustwa (jakość baterii może być mierzona tylko w pełnym cyklu rozładowania; żywotność baterii może być mierzona tylko w powtarzających się cyklach rozładowania; osoby uczestniczące w transakcji wymiany nie mogą wiedzieć, czy są zużyte lub o obniżonej wydajności; jakość baterii powoli się pogarsza czas, więc zużyte baterie będą stopniowo wciskane do systemu)
  2. Niechęć producentów do standaryzacji dostępu do baterii / szczegółów wdrożenia
  3. Względy bezpieczeństwa

Ponowne napełnianie

Przepływowe akumulatory cynkowo-bromowe można uzupełniać płynem, zamiast ładować przez złącza, co oszczędza czas.

Cykl życia akumulatorów litowych EV

Schemat cyklu życia akumulatorów EV. Na podstawie Engel et al.

Cykl życia baterii litowych do pojazdów elektrycznych składa się głównie z czterech etapów: faza surowców, produkcja baterii, faza eksploatacji i faza zarządzania wycofaniem z eksploatacji. Jak pokazano na schemacie cyklu życia akumulatorów EV, w pierwszym etapie materiały ziem rzadkich są wydobywane w różnych częściach świata. Po ich uszlachetnieniu przez zakłady obróbki wstępnej, firmy produkujące baterie przejmują te materiały i zaczynają produkować baterie i montować je w paczki. Te zestawy akumulatorów są następnie wysyłane do firm produkujących samochody w celu integracji pojazdów elektrycznych. Na ostatnim etapie, jeśli nie ma odpowiedniego zarządzania, cenne materiały w akumulatorach mogą zostać potencjalnie zmarnowane. Dobra faza zarządzania wycofaniem z eksploatacji będzie próbowała zamknąć pętlę. Zużyte akumulatory zostaną ponownie wykorzystane jako magazyn stacjonarny lub poddane recyklingowi, w zależności od stanu akumulatora (SOH).

Cykl życia baterii jest dość długi i wymaga ścisłej współpracy między firmami i krajami. Obecnie dobrze ugruntowana jest faza surowcowa oraz faza produkcji i eksploatacji baterii. Faza zarządzania wycofaniem z eksploatacji ma trudności z rozwojem, zwłaszcza proces recyklingu, głównie ze względów ekonomicznych. Na przykład tylko 6% akumulatorów litowo-jonowych zostało zebranych do recyklingu w latach 2017–2018 w Australii. Jednak zamknięcie pętli jest niezwykle ważne. Nie tylko ze względu na przewidywane zmniejszenie dostaw niklu, kobaltu i litu w przyszłości, recykling akumulatorów EV może zmaksymalizować korzyści dla środowiska. Xu i in. Przewiduje się, że w scenariuszu zrównoważonego rozwoju lit, kobalt i nikiel osiągną lub przewyższą znane rezerwy w przyszłości, jeśli nie będzie stosowany recykling. Ciez i Whitacre odkryli, że poprzez wdrożenie recyklingu baterii można uniknąć niektórych emisji gazów cieplarnianych (GHG) pochodzących z górnictwa.

Emisje z recyklingu baterii w ramach średniej sieci elektrycznej w USA. (a,b) dla kuwety cylindrycznej i (c,d) dla kuwety woreczka. Na podstawie Ciez i Whitacre
Proces produkcji akumulatorów EV

Aby lepiej zrozumieć cykl życia akumulatorów EV, ważne jest przeanalizowanie emisji związanych z różnymi fazami. Stosując komórki cylindryczne nmc jako przykład Ciez Whitacre i okazało się, że około 9 kg CO 2 e kg baterii - 1 emitowana jest w surowcach wstępnego przetwarzania i produkcji baterii przy średniej sieci elektrycznej, USA. Największa część emisji pochodziła z przygotowania materiałów, co stanowi ponad 50% emisji. W przypadku zastosowania ogniwa NMC, całkowita emisja wzrasta do prawie 10 kg CO 2 e kg baterii 1, podczas gdy produkcja materiałów nadal przyczynia się do ponad 50% emisji. W fazie zarządzania wycofaniem z eksploatacji proces odnawiania powoduje niewielką emisję do emisji w cyklu życia. Z drugiej strony, proces recyklingu, jak sugerują Ciez i Whitacre, emituje znaczną ilość GHG. Jak pokazano na wykresie emisji recyklingu baterii a i c, emisja z procesu recyklingu różni się w zależności od różnych procesów recyklingu, odmiennej chemii i różnych współczynników kształtu. Zatem uniknięta emisja netto w porównaniu z brakiem recyklingu również różni się w zależności od tych czynników. Na pierwszy rzut oka, jak pokazano na wykresie b i d, proces bezpośredniego recyklingu jest najbardziej idealnym procesem do recyklingu akumulatorów typu worek, podczas gdy proces hydrometalurgiczny jest najbardziej odpowiedni dla akumulatorów typu cylindrycznego. Jednak w przypadku pokazanych słupków błędów nie można wybrać najlepszego podejścia z pewnością. Warto zauważyć, że w przypadku chemii fosforanów litowo-żelazowych (LFP) korzyść netto jest ujemna. Ponieważ ogniwa LFP nie zawierają kobaltu i niklu, które są drogie i energochłonne w produkcji, ich wydobycie jest bardziej wydajne energetycznie. Ogólnie rzecz biorąc, oprócz promowania wzrostu pojedynczego sektora, należy podjąć bardziej zintegrowane wysiłki w celu zmniejszenia emisji w cyklu życia akumulatorów EV. Skończona całkowita podaż materiałów ziem rzadkich może najwyraźniej uzasadniać potrzebę recyklingu. Jednak korzyści dla środowiska wynikające z recyklingu wymagają dokładniejszej analizy. W oparciu o obecną technologię recyklingu, korzyść netto z recyklingu zależy od czynników kształtu, chemii i wybranego procesu recyklingu.

Produkcja

Proces produkcji akumulatorów EV składa się głównie z trzech etapów: produkcja materiałów, produkcja ogniw i integracja, jak pokazano na wykresie Proces produkcji akumulatorów EV odpowiednio w kolorze szarym, zielonym i pomarańczowym. Przedstawiony proces nie obejmuje wytwarzania osprzętu ogniwa, tj. obudów i odbieraków prądu. Podczas procesu produkcji materiałów najpierw miesza się materiał aktywny, dodatki przewodzące, spoiwo polimerowe i rozpuszczalnik. Następnie są one powlekane na kolektorach prądu, gotowe do procesu suszenia. Na tym etapie metody wytwarzania materiałów aktywnych zależą od elektrody i chemii. W przypadku katody dwie z najpopularniejszych chemii to tlenki metali przejściowych, tj. tlenki litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (Li-NMC) oraz fosforany litowo-metalowe, tj. fosforany litowo-żelazowe (LFP). W przypadku anody najpopularniejszą obecnie chemią jest grafit. Jednak ostatnio pojawiło się wiele firm produkujących anodę mieszaną Si ( Sila Nanotech , Prologium ) i anodę metalową Li ( Cuberg , Solid Power ). Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku produkcji materiałów aktywnych istnieją trzy etapy: przygotowanie materiałów, obróbka materiałów i uszlachetnianie. Schmuch i in. omówiono bardziej szczegółowo produkcję materiałów.

Na etapie produkcji ogniw przygotowana elektroda zostanie przetworzona do pożądanego kształtu do pakowania w formacie cylindrycznym, prostokątnym lub woreczkowym. Następnie, po napełnieniu elektrolitów i uszczelnieniu ogniw, ogniwa są poddawane cyklicznej obróbce, aby utworzyć SEI chroniący anodę. Następnie te akumulatory są składane w pakiety gotowe do zintegrowania z pojazdem. Kwade i in. omówić bardziej szczegółowo ogólny proces produkcji baterii.

Ponowne użycie i zmiana przeznaczenia

Gdy akumulator EV degraduje się do 70% do 80% swojej pierwotnej pojemności, oznacza to, że osiągnie koniec życia. Jedną z metod gospodarowania odpadami jest ponowne użycie opakowania. Poprzez zmianę przeznaczenia pakietu do przechowywania stacjonarnego można uzyskać więcej wartości z pakietu akumulatorów, jednocześnie zmniejszając wpływ na cykl życia na kWh. Jednak włączenie drugiej żywotności baterii nie jest łatwe. Kilka wyzwań utrudnia rozwój branży odnawiania akumulatorów.

Po pierwsze, podczas pracy pojazdu elektrycznego następuje nierównomierna i niepożądana degradacja baterii. Każde ogniwo akumulatora może ulec degradacji w inny sposób podczas pracy. Obecnie informacje o stanie zdrowia (SOH) z systemu zarządzania baterią (BMS) można wyodrębnić na poziomie pakietu. Uzyskanie informacji o stanie komórki wymaga BMS nowej generacji. Ponadto, ponieważ wiele czynników, takich jak temperatura podczas pracy, schemat ładowania/rozładowywania i degradacja kalendarza, może przyczyniać się do niskiego SOH pod koniec okresu eksploatacji, mechanizm degradacji może być inny. Tak więc sama znajomość SOH nie wystarczy, aby zapewnić jakość odnowionego opakowania. Aby rozwiązać to wyzwanie, inżynierowie mogą złagodzić degradację, projektując system zarządzania ciepłem nowej generacji. Aby w pełni zrozumieć degradację wewnątrz baterii, metody obliczeniowe, w tym metoda pierwszej zasady, model oparty na fizyce i metoda oparta na uczeniu maszynowym, powinny współpracować w celu zidentyfikowania różnych trybów degradacji i ilościowego określenia poziomu degradacji po ciężkich operacjach. Wreszcie, w celu zapewnienia jakości zestawu akumulatorów należy zastosować bardziej wydajne narzędzia do charakterystyki akumulatorów, na przykład elektrochemiczną spektroskopię impedancji (EIS).

Przykładowe projekty magazynowe z wykorzystaniem akumulatorów EV Second Life. Na podstawie Awan

Po drugie, demontaż modułów i ogniw jest kosztowny i czasochłonny. Po ostatnim punkcie, pierwszym krokiem jest testowanie w celu określenia pozostałego SOH modułów akumulatorowych. Ta operacja może się różnić w przypadku każdego wycofanego systemu. Następnie moduł musi zostać całkowicie rozładowany. Następnie pakiet musi zostać zdemontowany i ponownie skonfigurowany, aby spełnić wymagania dotyczące mocy i energii aplikacji drugiego życia. Należy pamiętać, że do demontażu akumulatorów EV o dużej masie i napięciu potrzebni są wykwalifikowani pracownicy i specjalistyczne narzędzia. Oprócz rozwiązań omówionych w poprzednim rozdziale, firma remontowa może sprzedawać lub ponownie wykorzystywać energię rozładowaną z modułu w celu obniżenia kosztów tego procesu. Aby przyspieszyć proces demontażu, podjęto kilka prób włączenia robotów do tego procesu. W takim przypadku roboty mogą poradzić sobie z bardziej niebezpiecznymi zadaniami, zwiększając bezpieczeństwo procesu demontażu.

Po trzecie, technologia baterii jest nieprzejrzysta i brakuje jej standardów. Ponieważ rozwój baterii jest podstawową częścią EV, producentowi trudno jest oznaczyć na opakowaniu dokładny skład chemiczny katody, anody i elektrolitów. Ponadto pojemność i konstrukcja ogniw i pakietów zmienia się co roku. Firma remontowa musi ściśle współpracować z producentem, aby na bieżąco aktualizować te informacje. Z drugiej strony rząd może ustanowić standard etykietowania.

Wreszcie proces odnawiania zwiększa koszty zużytych baterii. Od 2010 r. koszty baterii spadły o ponad 85%, co jest znacznie szybsze niż przewidywano. Ze względu na dodatkowy koszt renowacji odnowione urządzenie może być mniej atrakcyjne niż nowe baterie dostępne na rynku.

Niemniej jednak odniosło się kilka sukcesów w zastosowaniach typu second-life, jak pokazano na przykładach projektów przechowywania wykorzystujących akumulatory EV typu second-life. Są wykorzystywane w mniej wymagających stacjonarnych zastosowaniach magazynowych, jako eliminacja szczytów lub dodatkowa pamięć masowa dla odnawialnych źródeł wytwórczych.

Recykling
Przykłady obecnych zakładów recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. Na podstawie Awan

Chociaż żywotność baterii można wydłużyć, umożliwiając zastosowanie drugiej żywotności, ostatecznie baterie EV należy poddać recyklingowi. Obecnie istnieje pięć rodzajów procesów recyklingu: Odzysk pirometalurgiczny, Fizyczna separacja materiałów, Hydrometalurgiczny odzysk metali, Metoda recyklingu bezpośredniego oraz Biologiczna odzyskiwanie metali. Najczęściej stosowanymi procesami są trzy pierwsze wymienione procesy, jak pokazano na przykładach obecnych zakładów recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. Dwie ostatnie metody są nadal na skalę laboratoryjną lub pilotażową, jednak mogą potencjalnie uniknąć największej ilości emisji z górnictwa.

Proces pirometalurgiczny obejmuje spalanie materiałów akumulatorowych z żużlem, wapieniem, piaskiem i koksem w celu wytworzenia stopu metalu w piecu wysokotemperaturowym. Otrzymane materiały to stop metali, żużel i gazy. Gazy zawierają cząsteczki, które są odparowywane ze składników elektrolitu i spoiwa. Stop metalu można rozdzielić w procesach hydrometalurgicznych na materiały składowe. Żużel będący mieszaniną aluminium, manganu i litu może być odzyskiwany w procesach hydrometalurgicznych lub wykorzystywany w przemyśle cementowym. Ten proces jest bardzo wszechstronny i stosunkowo bezpieczny. Ponieważ nie jest potrzebne wstępne sortowanie, może pracować z szeroką gamą akumulatorów. Ponadto, ponieważ całe ogniwo ulega spaleniu, metal z kolektorów prądu może wspomóc proces wytapiania, a ze względu na egzotermiczną reakcję spalania tworzyw sztucznych z piasku elektrolitowego można również zmniejszyć zużycie energii. Jednak proces ten nadal wymaga stosunkowo większego zużycia energii i tylko ograniczoną liczbę materiałów można odzyskać. Fizyczna separacja materiałów odzyskanych materiałów poprzez mechaniczne kruszenie i wykorzystanie właściwości fizycznych różnych składników, takich jak wielkość cząstek, gęstość, ferromagnetyzm i hydrofobowość. Obudowę miedzianą, aluminiową i stalową można odzyskać poprzez sortowanie. Pozostałe materiały, zwane „czarną masą”, składające się z niklu, kobaltu, litu i manganu, wymagają wtórnej obróbki w celu odzyskania. W procesie hydrometalurgicznym materiały katodowe muszą być kruszone w celu usunięcia kolektora prądu. Następnie materiały katodowe są ługowane roztworami wodnymi w celu wyekstrahowania pożądanych metali z materiałów katodowych. Bezpośredni recykling katod, jak sugeruje nazwa, umożliwia bezpośrednią ekstrakcję materiałów, dając moc katody, która jest gotowa do użycia jako nowy, nieskazitelny materiał katody. Proces ten polega na ekstrakcji elektrolitu przy użyciu ciekłego lub nadkrytycznego CO 2 . Po zmniejszeniu wielkości odzyskanych składników, materiały katodowe można oddzielić. Do biologicznego odzysku metali lub bioługowania w procesie wykorzystuje się mikroorganizmy do selektywnego trawienia tlenków metali. Następnie firmy zajmujące się recyklingiem mogą zredukować te tlenki w celu wytworzenia nanocząstek metali. Chociaż bioługowanie jest z powodzeniem stosowane w przemyśle wydobywczym, proces ten wciąż pojawia się w przemyśle recyklingu i istnieje wiele możliwości dalszych badań.

Na całym świecie podjęto wiele wysiłków na rzecz promowania rozwoju i wdrażania technologii recyklingu. W USA Departament Biur ds. Technologii Pojazdów Energetycznych (VTO) podjął dwa działania ukierunkowane na innowacyjność i praktyczność procesów recyklingu. Centrum ReCell Lithium Recycling RD łączy trzy uniwersytety i trzy laboratoria krajowe, aby opracowywać innowacyjne, wydajne technologie recyklingu. Przede wszystkim metoda bezpośredniego recyklingu katod została opracowana przez centrum ReCell. Z drugiej strony VTO ustanowiło również nagrodę recyklingu baterii, aby zachęcić amerykańskich przedsiębiorców do znalezienia innowacyjnych rozwiązań, które pozwolą rozwiązać bieżące wyzwania.

Wpływ środowiska

Szacuje się, że przejście na pojazdy elektryczne będzie wymagało 87 000% wzrostu podaży określonych metali do 2060 r., które trzeba najpierw wydobyć, a recykling (patrz wyżej) pokryje część zapotrzebowania w przyszłości. Szacuje się, że w samej Wielkiej Brytanii przestawienie 31,5 miliona pojazdów benzynowych na elektryczne wymagałoby „207 900 ton kobaltu, 264 600 ton węglanu litu, 7 200 ton neodymu i dysprozu oraz 2 362 500 ton miedzi”, a zmiana na całym świecie wymagałaby 40 razy te kwoty. Według badania IEA 2021 dostawy minerałów muszą wzrosnąć z 400 kiloton w 2020 r. do 11 800 kiloton w 2040 r., aby pokryć zapotrzebowanie EV. Wzrost ten stwarza szereg kluczowych wyzwań, od łańcucha dostaw (ponieważ 60% produkcji koncentruje się w Chinach) po znaczący wpływ na klimat i środowisko w wyniku tak dużego wzrostu działalności wydobywczej.

Pojazd do sieci

Inteligentna sieć umożliwia pojazdom BEV dostarczanie energii do sieci w dowolnym momencie, w szczególności:

  • W okresach szczytowego obciążenia (kiedy cena sprzedaży energii elektrycznej może być bardzo wysoka. Pojazdy można następnie ładować poza godzinami szczytu po niższych stawkach, co pomaga w absorpcji nadmiernego wytwarzania energii w nocy. Pojazdy służą jako rozproszony system magazynowania akumulatorów w celu buforowania energii. )
  • W przypadku braku zasilania , jako zapasowe źródło zasilania.

Bezpieczeństwo

Kwestie bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami są w dużej mierze uregulowane w międzynarodowej normie ISO 6469 . Ten standard jest podzielony na trzy części:

  • Pokładowy magazyn energii elektrycznej, czyli akumulator
  • Funkcjonalne środki bezpieczeństwa i ochrona przed awariami
  • Ochrona osób przed zagrożeniami elektrycznymi.

Strażacy i ratownicy otrzymują specjalne szkolenie w zakresie radzenia sobie z wyższymi napięciami i chemikaliami napotykanymi w wypadkach pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Podczas gdy wypadki BEV mogą stwarzać nietypowe problemy, takie jak pożary i opary wynikające z szybkiego rozładowania akumulatora, wielu ekspertów zgadza się, że akumulatory BEV są bezpieczne w pojazdach dostępnych na rynku i w przypadku zderzeń tylnych oraz są bezpieczniejsze niż samochody napędzane benzyną z tylnymi zbiornikami benzyny .

Zazwyczaj testowanie wydajności baterii obejmuje określenie:

Testy wydajności symulują cykle jazdy dla układów napędowych pojazdów elektrycznych na baterie (BEV), hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i hybrydowych pojazdów elektrycznych typu plug-in (PHEV) zgodnie z wymaganymi specyfikacjami producentów samochodów ( OEM ). Podczas tych cykli jazdy można prowadzić kontrolowane chłodzenie akumulatora, symulując warunki termiczne w samochodzie.

Ponadto komory klimatyczne kontrolują warunki środowiskowe podczas testów i umożliwiają symulację pełnego zakresu temperatur i warunków klimatycznych w samochodach.

Patenty

Patenty mogą być wykorzystywane do powstrzymywania rozwoju lub wdrażania technologii baterii. Na przykład patenty związane z zastosowaniem ogniw niklowo-wodorkowych w samochodach były w posiadaniu filii Chevron Corporation , firmy naftowej, która zachowała prawo weta w stosunku do jakiejkolwiek sprzedaży lub licencjonowania technologii NiMH.

Badania, rozwój i innowacje

Od grudnia 2019 r. planuje się zainwestowanie miliardów euro w badania na całym świecie w ulepszanie baterii.

Europa ma plany na duże inwestycje w rozwój i produkcję baterii do pojazdów elektrycznych, a Indonezja również zamierza wyprodukować baterie do pojazdów elektrycznych w 2023 roku, zapraszając chińską firmę produkującą baterie GEM i Contemporary Amperex Technology Ltd do inwestycji w Indonezji.

Ultrakondensatory

Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe (lub „ultrakondensatory”) są używane w niektórych pojazdach elektrycznych, takich jak prototyp koncepcyjny AFS Trinity, do przechowywania szybko dostępnej energii o wysokiej mocy właściwej , aby utrzymać akumulatory w bezpiecznych granicach nagrzewania rezystancyjnego i wydłużyć żywotność akumulatora .

Ponieważ dostępne na rynku ultrakondensatory mają niską energię właściwą, żadne produkowane samochody elektryczne nie wykorzystują wyłącznie ultrakondensatorów.

W styczniu 2020 r. Elon Musk , dyrektor generalny Tesli , stwierdził, że postęp w technologii akumulatorów litowo-jonowych sprawił, że ultrakondensatory stały się niepotrzebne w pojazdach elektrycznych.

Promocja w Stanach Zjednoczonych

W 2009 roku prezydent Barack Obama ogłosił 48 nowych projektów zaawansowanych baterii i napędów elektrycznych, które otrzymają dofinansowanie w wysokości 2,4 miliarda USD w ramach amerykańskiej ustawy o odbudowie i reinwestycji . Rząd twierdził, że projekty te przyspieszą rozwój zdolności produkcyjnych USA w zakresie akumulatorów i komponentów napędu elektrycznego, a także rozmieszczenie pojazdów z napędem elektrycznym, pomagając w ustanowieniu amerykańskiego przywództwa w tworzeniu nowej generacji zaawansowanych pojazdów.

Ogłoszenie oznaczało największą w historii inwestycję w zaawansowaną technologię akumulatorów do pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Przedstawiciele branży spodziewali się, że ta inwestycja o wartości 2,4 miliarda dolarów, w połączeniu z kolejnymi 2,4 miliardami dolarów udziału w kosztach ze strony zwycięzców nagród, bezpośrednio zaowocuje utworzeniem dziesiątek tysięcy miejsc pracy w przemyśle akumulatorów i samochodów w USA.

Nagrody obejmują dotacje w wysokości 1,5 miliarda USD dla producentów z siedzibą w Stanach Zjednoczonych na produkcję baterii i ich komponentów oraz na zwiększenie zdolności recyklingu baterii.

  • Wiceprezydent USA Joe Biden ogłosił w Detroit ponad miliard dolarów dotacji dla firm i uniwersytetów z siedzibą w Michigan. Odzwierciedlając przywództwo stanu w produkcji czystej energii, firmy i instytucje z Michigan otrzymały największą część dotacji ze wszystkich stanów. Dwie firmy, A123 Systems i Johnson Controls , otrzymałyby łącznie około 550 mln USD na utworzenie w stanie bazy produkcyjnej dla zaawansowanych akumulatorów, a dwie inne, Compact Power i Dow Kokam , otrzymałyby łącznie ponad 300 mln USD na produkcja ogniw i materiałów akumulatorowych. Duzi producenci samochodów z siedzibą w Michigan, w tym GM, Chrysler i Ford, otrzymaliby w sumie ponad 400 milionów dolarów na produkcję akumulatorów i komponentów napędów elektrycznych. Trzy instytucje edukacyjne w Michigan — University of Michigan , Wayne State University w Detroit i Michigan Technological University w Houghton na Górnym Półwyspie — otrzymałyby łącznie ponad 10 mln USD na programy edukacyjne i szkoleniowe dla pracowników w celu szkolenia naukowców, techników , i usługodawców oraz do prowadzenia badań konsumenckich w celu przyspieszenia przejścia na zaawansowane pojazdy i akumulatory.
  • Amerykański sekretarz ds. energii Steven Chu odwiedził Celgard w Charlotte w Północnej Karolinie , aby ogłosić dotację w wysokości 49 mln USD dla firmy na zwiększenie zdolności produkcyjnej separatorów w celu zaspokojenia spodziewanego zwiększonego popytu na akumulatory litowo-jonowe z zakładów produkcyjnych w Stanach Zjednoczonych. Celgard planował zwiększenie mocy produkcyjnych w Charlotte w Północnej Karolinie i pobliskim Concord w Północnej Karolinie , a firma spodziewała się, że produkcja nowego separatora zostanie uruchomiona w 2010 roku. Celgard spodziewał się, że może powstać około setek miejsc pracy, z pierwszym te prace rozpoczynają się już jesienią 2009 roku.
  • Administrator EPA Lisa Jackson przebywała w St. Petersburgu na Florydzie, aby ogłosić dotację w wysokości 95,5 miliona USD dla Saft America , Inc. na budowę nowej fabryki w Jacksonville na terenie byłej bazy wojskowej Cecil Field , do produkcji ogniw litowo-jonowych, moduły i akumulatory do pojazdów wojskowych, przemysłowych i rolniczych.
  • Zastępca sekretarza Departamentu Transportu John Porcari odwiedził firmę East Penn Manufacturing Co na dworcu Lyon w Pensylwanii , aby przyznać firmie dotację w wysokości 32,5 miliona USD na zwiększenie zdolności produkcyjnej jej akumulatorów kwasowo-ołowiowych z zaworami oraz UltraBattery , kwasowo-ołowiowego bateria połączona z superkondensatorem węglowym , do zastosowań mikro i mild hybrid.

Zobacz też

Przykłady
Związane z

Bibliografia

Zewnętrzne linki