В предстоящата сряда, 24 ноември, последната кръгла маса на Driving into the Future ще обсъди как може да изглежда бъдещето на производството на батерии в Канада. Независимо дали сте оптимист – наистина вярвате, че всички автомобили ще бъдат електрически до 2035 г. – или смятате, че няма да постигнем тази амбициозна цел, задвижваните от батерии автомобили са важна част от нашето бъдеще. Ако Канада иска да бъде част от тази електрическа революция, трябва да намерим начин да станем водещ производител на автомобилни енергийни системи в бъдеще. За да видите как изглежда бъдещето, гледайте най-новата кръгла маса за производство на батерии за нас в Канада тази сряда в 11:00 сутринта източно време.
Забравете за твърдотелните батерии. Същото важи и за целия шум около силициевите аноди. Дори прехвалената алуминиево-въздушна батерия, която не може да се зарежда у дома, не може да разтърси света на електрическите превозни средства.
Какво е структурна батерия? Е, това е добър въпрос. За щастие за мен, който не искам да се преструвам, че може да нямам инженерни познания, отговорът е прост. Сегашните електрически автомобили се захранват от батерии, инсталирани в колата. О, открихме нов начин да скрием тяхното качество, което е да вградим всички тези литиево-йонни батерии в пода на шасито, създавайки платформа за „скейтборд“, която сега е синоним на EV дизайн. Но все още са отделно от колата. Добавка, ако щете.
Структурните батерии подкопават тази парадигма, като правят цялото шаси направено от батерийни клетки. В едно привидно мечтано бъдеще не само носещият под ще бъде по-скоро, отколкото да съдържа батерии, но и определени части от каросерията - А-колони, покриви и дори, както изследователска институция показа, е възможно, помещение под налягане с въздушен филтър - не само оборудвано с батерии, но всъщност се състои от батерии. По думите на великия Маршал Маклуън, колата е батерия.
Е, въпреки че съвременните литиево-йонни батерии изглеждат високотехнологични, те са тежки. Енергийната плътност на литиево-йонните е много по-малка от тази на бензина, така че за постигане на същия пробег като превозните средства с изкопаеми горива, батериите в съвременните електромобили са много големи. Много голям.
По-важното е, че са тежки. Като например тежък при „широк товар“. Основната формула, използвана в момента за изчисляване на енергийната плътност на батерията, е, че всеки килограм литиево-йонен може да генерира около 250 вата часа електричество. Или в света на съкращението инженерите предпочитат 250 Wh/kg.
Направете си малко сметка, батерия от 100 kWh е като Tesla, включена в батерия на Model S, което означава, че където и да отидете, ще мъкнете около 400 кг батерия. Това е най-доброто и ефективно приложение. За нас, лаиците, може да е по-точно да изчислим, че батерия от 100 kWh тежи около 1000 паунда. Например половин тон.
Сега си представете нещо като новия Hummer SUT, който твърди, че има вградена мощност до 213 kWh. Дори ако генералът открие някои пробиви в ефективността, най-добрият Hummer пак ще влачи около един тон батерии. Да, ще кара по-далеч, но поради всички тези допълнителни предимства, увеличаването на обхвата не е съизмеримо с удвояването на батерията. Разбира се, неговият камион трябва да има по-мощен - тоест по-малко ефективен - двигател, който да съответства. Ефективността на по-леките алтернативи с по-къс обхват. Както всеки автомобилен инженер (независимо дали за скорост или икономия на гориво) ще ви каже, теглото е враг.
Това е мястото, където се намесва структурната батерия. Чрез изграждането на автомобили от батерии, вместо да ги добавяте към съществуващи структури, по-голямата част от добавеното тегло изчезва. До известна степен – тоест, когато всички структурни елементи се превърнат в батерии – увеличаването на обхвата на движение на автомобила не води до почти никаква загуба на тегло.
Както бихте очаквали – защото знам, че седите там и си мислите „Каква страхотна идея!“ – има пречки пред това умно решение. Първият е да овладеете способността да правите батерии от материали, които могат да се използват не само като аноди и катоди за всяка основна батерия, но и като достатъчно здрави и много леки! - Конструкция, която може да издържи двутонна кола и нейните пътници, и се надяваме, че ще бъде безопасна.
Не е изненадващо, че двата основни компонента на най-мощната структурна батерия до момента, произведена от Технологичния университет Чалмърс и инвестирана от KTH Royal Institute of Technology, двата най-известни инженерни университета в Швеция, са въглеродни влакна и алуминий. По същество въглеродните влакна се използват като отрицателен електрод; положителният електрод използва алуминиево фолио, покрито с литиево-железен фосфат. Тъй като въглеродните влакна също провеждат електрони, няма нужда от тежко сребро и мед. Катодът и анодът се държат разделени от матрица от стъклени влакна, която също съдържа електролит, така че не само транспортира литиеви йони между електродите, но и разпределя структурното натоварване между двете. Номиналното напрежение на всяка такава акумулаторна клетка е 2,8 волта и като всички настоящи батерии за електрически превозни средства, може да се комбинира, за да произведе 400 V или дори 800 V, обичайно за ежедневните електрически превозни средства.
Въпреки че това е ясен скок, дори тези високотехнологични клетки изобщо не са готови за праймтайм. Тяхната енергийна плътност е само незначителните 25 ватчаса на килограм, а структурната им твърдост е 25 гигапаскала (GPa), което е само малко по-силно от стъклените влакна на рамката. Въпреки това, с финансиране от Шведската национална космическа агенция, последната версия сега използва повече въглеродни влакна вместо електроди от алуминиево фолио, за които изследователите твърдят, че имат твърдост и енергийна плътност. Всъщност, тези най-нови въглеродни/въглеродни батерии се очаква да произвеждат до 75 вата часа електричество на килограм и модул на Юнг от 75 GPa. Тази енергийна плътност все още може да изостава от традиционните литиево-йонни батерии, но нейната структурна твърдост сега е по-добра от алуминия. С други думи, диагоналната батерия на шасито на електрическото превозно средство, направена от тези батерии, може да бъде структурно толкова здрава, колкото батерията, направена от алуминий, но теглото ще бъде значително намалено.
Първата употреба на тези високотехнологични батерии почти сигурно е потребителската електроника. Професор Лейф Асп от Chalmers каза: „След няколко години е напълно възможно да се направи смартфон, лаптоп или електрически велосипед, който е само половината от днешното тегло и е по-компактен.“ Въпреки това, както посочи лицето, което отговаря за проекта, „Ние наистина е ограничено само от нашето въображение тук.“
Батерията е не само основата на съвременните електрически превозни средства, но и най-слабото му звено. Дори и най-оптимистичната прогноза може да види само два пъти настоящата енергийна плътност. Какво ще стане, ако искаме да получим невероятния пробег, който всички сме обещали — и изглежда, че някой всяка седмица обещава 1000 километра с едно зареждане? — Ще трябва да се справим по-добре от добавянето на батерии към колите: ще трябва да правим коли от батерии.
Експерти казват, че временният ремонт на някои повредени маршрути, включително магистралата Coquihalla, ще отнеме няколко месеца.
Postmedia се ангажира да поддържа активен, но частен дискусионен форум и насърчава всички читатели да споделят своите мнения относно нашите статии. Може да отнеме до един час, докато коментарите се покажат на уебсайта. Молим ви да поддържате вашите коментари уместни и уважителни. Активирахме известия по имейл – ако получите отговор на коментар, ако нишка за коментари, която следвате, е актуализирана или ако следвате коментар на потребител, вече ще получите имейл. Моля, посетете нашите Правила на общността за повече информация и подробности относно това как да коригирате настройките за имейл.