Mit kell tudni az EV akkumulátorokról

Ezt a cikket eredetileg 2019. szeptember 25-én tették közzé.

Az elektromos jármű (EV), mint zöldenergia-megoldás, már népszerű és elfogadott csere a belső égésű motorral (ICE). Használatuk naponta növekszik a szén-dioxid-kibocsátás növekvő tudatossága, a kormányzati ösztönzők, például a kiváltságos EV-meghajtók biztosítása, és természetesen a növekvő olajárak és a csökkenő készletek miatt. A Bloomberg NEF (BNEF) 2019 Electric Vehicle Outlook szerint az EV-k 2040-re az összes új személygépkocsi 55 százalékát teszik ki. Ezenkívül az ICE járművekhez képest az EV motorok hatékonyabbak és gyorsan reagálnak nagy nyomatékkal. Az alacsonyabb üzemanyag- és karbantartási költségek miatt költséghatékonyak is. Ma már léteznek különféle kereskedelmileg sikeres EV modellek, a gazdasági modellektől a nagy teljesítményű sportmodellekig.

Az EV teljesítménye szorosan összefügg az akkumulátor tervezésével, amely meghajtja a jármű motorját, és képesnek kell lennie arra, hogy hosszabb ideig elegendő áramot biztosítson a motor számára. Mivel egy akkumulátorcella meglehetősen alacsony feszültséget és kapacitást biztosít, egy EV-ben több száz cella van sorosan és párhuzamosan csatlakoztatva a szükséges feszültség és erősítőórák (Ah) biztosításához. Például egy olyan nagy teljesítményű EV-hez, mint a Tesla Model S, 7104 akkumulátorelem található.

Köztudott, hogy az EV-kben a lítium-ion (Li-Ion) akkumulátorokat használják a leggyakrabban. Az EV-kben azonban több különböző típusú akkumulátort is használtak. Ez a cikk bemutatja az elektromos akkumulátorokban használt különféle akkumulátor-technológiákat, és feltárja azok előnyeit és hátrányait.

Fontos elemparaméterek

Az egyes akkumulátorokról rendelkezésre áll konkrét információ, de két általános név az akkumulátor feszültsége és az Ah kapacitása. Az ólom-savas akkumulátorok névleges feszültsége 2 V vagy 12 V, míg a Li-Ion akkumulátorok 3,3-3,7 V tartományban lehetnek. A nikkel-fém-hidrid (NiMH) akkumulátorok névleges feszültsége 1,2 V. A névleges kapacitás (Ah) névleges érték azt az aktuális értéket képviseli, amelyet az akkumulátor egy óra alatt képes biztosítani. Ez jelzi az akkumulátorban tárolt energia mennyiségét. További fontos információ az akkumulátor típusa és az elemláncban lévő cellák száma.

Az EV alkalmazáshoz legmegfelelőbb akkumulátortípus kiválasztásához a következő elemparamétereket kell figyelembe venni:

Az EV-kben használt akkumulátortípusok

Az EV-ket újratölthető akkumulátorok működtetik. Ez az akkumulátortípus reverzibilis kémiai reakciót biztosít, lehetővé téve mind a lemerülést, mind a töltési folyamatot. Az akkumulátor lemerülése során az elektromos áram a katódból (+) anódba (-) áramlik, míg a fordított folyamat töltés közben történik.

Mivel ideális univerzális akkumulátor nem létezik, a különböző típusú akkumulátorok különböző alkalmazásokhoz alkalmasak. Az újratölthető elemek fő típusai: ólom, nikkel-kadmium (NiCd), nikkel-fém-hidrid (NiMH) és Li-Ion. A NiCd elemeket hatékonyabb és környezetbarátabb akkumulátorokkal cserélik ki, mint például NiMH és Li-Ion. Bár a NiCd akkumulátorok robusztusak, kevésbé hajlamosak a sérülésekre és hosszabb élettartamúak, elavult technológiák és erősen mérgezőek.

Ólom-savas elemek

Az ólom-sav akkumulátor technológia kiforrott és megbízható, de elavultnak tekinthető. Két általános ólom-sav akkumulátor típus a motorindító akkumulátorok és a mély ciklusú akkumulátorok, amelyeket az EV-kben használnak (manapság villástargoncákban vagy golfkocsikban). Ez az akkumulátortípus megköveteli az elektrolitszint ellenőrzését, és rövid élettartama, körülbelül három év. Ezeknek az akkumulátoroknak a fajlagos energia aránya gyenge (34 Wh/kg). Mivel nehézek (ne felejtsük el, hogy ólomból készülnek), hogy elegendő energiát biztosítsanak, egy EV alkalmazásban ezek az akkumulátorok a jármű teljes tömegének 25-50% -át képviselhetik. Ezenkívül negatív környezeti hatással is rendelkeznek, káros gázokat képeznek, mérgezőek és tömény kénsavat tartalmaznak. Ezt a típusú akkumulátort használták a korai EV-kben (pl. General Motors EV1). Figyelembe véve az összes említett hátrányt és a más elemtípusokban elérhető új fejlesztéseket, az ólom-sav akkumulátorokat nem használják új EV típusoknál.

NiMH elemek

Figyelembe véve a fajlagos energiát, a NiMH akkumulátorok jobbak az ólom-savaknál, mivel dupla értékűek, 68 Wh/kg (60 és 120 Wh/kg tartományban). Ez a funkció lehetővé teszi az akkumulátorok alacsonyabb tömegét és csökkenti az elemek tárolásához szükséges helyet. Ez azonban még mindig lényegesen alacsonyabb a Li-Ion akkumulátorokhoz képest, amelyek fajlagos energiája 40 százalékkal magasabb. A NiMH akkumulátorok fő előnye a tartósságuk. A nikkel elemek jól beváltak EV-kben. Sok ilyen akkumulátorral rendelkező autó már több mint 100 000 mérföldet tett az úton, és több mint 7 éve működik sikeresen. Alapvetően ez az egyetlen elem, amely bizonyítottan tartósnak tekinthető (a Li-Ion akkumulátorok hosszú élettartamot ígérnek, de utána kell néznünk, hogy ez valóban így van-e, miután évek óta valóban használják őket).

Az EV-kkel történő használatukat tekintve a NiMH akkumulátorok hátránya az alacsony töltési hatékonyság, az önkisülés (napi 12,5 százalékig szobahőmérsékleten, magasabb hőmérsékleten romló teljesítménnyel). Az ilyen típusú akkumulátorok előnyei közé tartozik, hogy kevés mérgező anyagot tartalmaznak, és a B újrahasznosítható. A NiMH akkumulátorok másik hátránya a hőtermelés sebessége a gyors töltés és kisütés során is. Ehhez hűtőrendszerre van szükség, amely következésképpen megnöveli az akkumulátor súlyát, költségeket és korlátozza a használható akkumulátorok számát. Számos jogi vita (szabadalmi terhelés) korlátozta a NiMH akkumulátorok használatát az EV-kben, és a hangsúlyt a Li-ion technológiára helyezte át.

Li-Ion elemek

Ma a Li-Ion akkumulátorok az EV-kben leggyakrabban használt elemek. A Financial Times szerint a lítium-ion akkumulátorok 2025-ig akár 90 százalékos részesedést is el tudnak érni az elektromos akkumulátorok piacán. A hagyományos lítium-ionos akkumulátor katódja lítium-kobalt-oxidból készül, az anód pedig grafitot tartalmaz. Ez a technológia olyan tulajdonságokat nyújt, amelyek kiküszöbölik a többi elemtípus hiányosságait. A Li-Ion akkumulátorok könnyűek, jó a töltési ciklusuk (vagyis sokszor képesek újratölteni), nagyobb az energiasűrűség, nagyobb az elemfeszültség és jobb az önkisülés mértéke (havi mindössze 5 százalék). A lítium-ion akkumulátor legfőbb előnye a lenyűgöző 140+ Wh/kg fajlagos energiaarány. A nagy energiasűrűség lehetővé teszi az akkumulátor kisebb súlyát, ami növeli az EV tartományát és teljesítményét. Az ólom-savas akkumulátorokhoz képest a Li-Ion a tömeg egyharmada, háromszor erősebb és az életciklusának háromszorosa.

A Li-Ion akkumulátoroknak magas az ára, ami a legnagyobb hátrányuk. Gyártási költségeik 40 százalékkal magasabbak lehetnek, mint a nikkel elemek. A Li-ion technológiával kapcsolatos intenzív kutatások azonban csökkentették a gyártási költségeket. McKinsey szerint 2010 és 2016 között a Li-Ion akkumulátorok ára 80 százalékkal csökkent. A biztonság továbbra is nagy aggodalomra ad okot ezeknél az akkumulátoroknál, mivel a termikus kifutás miatt az EV-k kigyulladhatnak vagy felrobbanhatnak, ha az akkumulátor túltöltődik, és a hő nem oszlik el. Ezenkívül az ingadozó akkumulátor töltése veszélyes lehet. Emiatt szükség van egy fejlett akkumulátor-kezelő rendszerre (BMS), amely figyeli az egyes cellák feszültségét és hőmérsékletét, a töltöttségi állapotot (SoC) és az egészségi állapotot (SoH), elősegítve a biztonságos és megbízható működést, a kiegyensúlyozott cellákat hosszú akkumulátor-élettartam és optimalizált EV-teljesítmény.

Számos Li típusú akkumulátor áll rendelkezésre, például lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid (NCA), lítium-mangán-oxid (LMO), lítium-nikkel-mangán-kobalt (NMC), lítium-titanát (LTO) és lítium-vas-foszfát (LFP). Az EV-k növekvő népszerűsége az akkumulátor-technológiát helyezte a középpontba. Rengeteg új fejlett akkumulátor típus vizsgálata található. A legújabb EV akkumulátor-tervezők olyan funkciókra összpontosítanak, mint a tűzállóság, a környezetbarátság, a gyors töltés és a hosszú élettartam. Időnként a versengő követelmények feláldozták az egyedi energia- és teljesítménytulajdonságokat.

A közvélemény felfogása ellenére a lítium-ion akkumulátorokban található fémeket: kobaltot, rézet, nikkelt és vasat biztonságosnak tekintik a hulladéklerakókban vagy az égetőművekben. Az akkumulátorokban lévő anyagok nem mérgezőek, ideértve a lítium-karbonátot (pl. Sütőedényekben használatosak), a kobalt-oxidot (például kerámia mázban használják), a nem toxikus grafitot (ceruzákban használják) és egy polimer (műanyag) membránt. Az akkumulátor mérgező részei az elektrolit és a lítium-kobalt-oxid, amelyeket jóindulatú vegyületek helyettesítenek. Kate Krebs, az Egyesült Államok szerint A Nemzeti Újrahasznosító Koalíció lítium-ion akkumulátorait a szövetségi (USA) kormány veszélyes hulladéknak minősíti, és a szokásos települési hulladékáramban ártalmatlanítani biztonságos. A Li-Ion akkumulátorok újrafeldolgozási technológiája folyamatosan fejlesztés alatt áll. Mivel az akkumulátorok rendelkezésre állása korlátozott, az újrahasznosításnak nemcsak környezetvédelmi, hanem gazdasági szempontból is van értelme.

Mint korábban említettük, az EV-k elsősorban Li-Ion elemeket használnak, de más típusú elemeket is használnak. Néhány népszerű EV modell akkumulátor típusát itt mutatjuk be:

A csatlakoztatható hibrid elektromos jármű (PHEV) akkumulátorait külső elektromos áramforrás, valamint a jármű fedélzeti motorja segítségével lehet feltölteni:
- A PHEV Toyota Prius 4,4 kWh Li-Ion akkumulátorokat használ, amelyek 11 mérföld vezetést tesznek lehetővé 3 órás (115 VAC 15A) és 1,5 óra (230 VAC 15A) töltési idővel.
- A Chevy Volt 16 kWh Li-mangán/NMC akkumulátorokat használ, amelyek súlya 400 font, és 40 mérföld vezetést tesz lehetővé 10 óra (115 VAC 15A) és 4 óra (230 VAC 15A) töltési idővel.
A tiszta elektromos járművek a következőket tartalmazzák:
- A Nissan Leaf 30 kWh Li-Mangan akkumulátorral rendelkezik, 192 cellával, súlya 600 lb. A mérési távolság 156 mérföld, a töltési idő pedig 8 óra 230 VAC, 15A és 4h 30A.
- A BMW i3 42 kWh LMO/NMC akkumulátorokat használ, amelyek súlya 595 font, a hatótávolság akár 215 mérföld, a töltési idő pedig 4 óra 11kW fedélzeti töltővel és 30 perc 50kW DC töltővel.
- A Tesla Model S 75kWh akkumulátort használ, a hatótávolsága 310 mérföld, töltési ideje 10 óra töltővel 10 óra, 120 kW teljesítményű töltővel pedig 30 perc.

Az EV-kben használt népszerű akkumulátor típusok specifikációi