Регулярно публикуются новости, в которых пишут о новейших научных разработках аккумуляторов с огромными удельными емкостями. Типа, вот-вот, еще немного, и весь мир будет завален новыми, дешевыми, суперёмкими аккумуляторами.
Тем не менее, воз пока что находится все в том же месте, и аккумуляторов емкостью больше 300 Вт*ч/кг что-то в коммерческих приложениях к автотранспорту пока не видно. Скорее даже наоборот: из соображений безопасности производители переходят на менее ёмкие, но более пожаробезопасные модели аккумуляторов.
Бензин.
Мне стало интересно, а какую вообще потенциально ёмкость можно ожидать от химических источников тока, хоть первичных (это те, что не заряжаются), хоть вторичных (а вот это уже настоящие аккумуляторы).
Ну и для того, что бы была точка отсчета, можно сравнить их с удельной емкостью ископаемого топлива, конкретно, бензина. При сжигании бензин выделяет примерно 13 кВт*ч/кг тепла. Правда, применительно к авто, само тепло большой ценности не представляет, его еще нужно преобразовать в механическую энергию. КПД этого процесса для современных бензиновых двигателей, работающих на цикле Отто, не превышает 35%. С учетом этого, а также того, что бензин в автомобиле еще нужно где-то хранить, можно приблизительно принять, что эффективная удельная энергоемкость бензина составит 4 кВт*ч/кг.
Соответственно, аккумуляторные батареи примерно с такой эффективной удельной емкостью будут по массе соответствовать бензину, используемому в авто на ДВС.
Но нам нужна не эффективная, а паспортная энергоемкость, которая должна быть выше, так как часть энергии теряется при заряде/разряде батареи, да и КПД электродвигателя, хоть и существенно выше ДВС, но все же не 100%.
Примерная оценка КПД современного хорошего аккумулятора - 95%, электродвигателя - 98% на оптимальных оборотах, в среднем же, наверное, 90%. С учетом этого, эквивалентная 1 кг бензина удельная энергоемкость аккумулятора должна быть 4.6 кВт*ч/кг.
Как видим, удельная емкость аккумуляторов на текущих технологиях более чем на порядок меньше, чем у бензина.
Воздушно-металлические первичные элементы.
Посмотрим, что могут нам предложить металлы, так как именно на реакциях с ними основаны технологии современные аккумуляторы. Наибольшие энтальпии образования оксидов при пересчете на металл: пероксид лития (Li2O2) - 12.7 кВт*ч/кг, оксид лития (Li2O) - 12 кВт*ч/кг, оксид алюминия (Al2O3) - 8.6 кВт*ч/кг, оксид магния - (MgO) - 8.6 кВт*ч/кг.
При чем здесь энтальпия образования? А вот при чем: энтальпия образования показывает, сколько тепла выделится при образовании этого вещества при стандартной температуре. И это максимум энергии, который можно извлечь при его образовании. Преимущество химических источников тока в том, что вместо тепла можно сразу получить электричество с весьма высоким КПД - гораздо более высоким, чем у тепловых машин.
Как видим, удельная энергоемкость этих оксидов сравнима с бензином, только теоретически позволяет получать сразу удобную форму энергии в виде электричества. Преимущество гипотетических источников тока, построенных на таких принципах состоит в том, что окислитель для работы не нужно возить с собой, можно по мере необходимости брать его прямо из воздуха.
В реальности энергоемкость окажется ниже, чем я указал, потому что батареи нужен как минимум корпус и электроды, которые формируют структуру и увеличивают массу батареи, не добавляя энергии.
Но основная засада не в этом, а в том, что на текущий момент нет технологий воздушно-металлических элементов питания, работающих непосредственно с оксидами. Поэтому прекрасные показатели, приведенные выше, пока что остаются чистой фантастикой.
Тем не менее, воздушно-металлические элементы существуют, только в результате работы образуются не оксиды, а в основном гидроксиды. То есть в батарею в качестве электролита добавляется вода (с добавками), что сразу же резко снижает удельную энергоемкость.
Если считать чисто по весу прореагировавшего вещества, то такие элементы на основе лития (в результате разряда получается LiOH), имеют максимально возможную энергоемкость 5.6 кВт*ч/кг, на основе алюминия 4.6 кВт*ч/кг, а широко распространенные цинковые - 1.8 кВт*ч/кг.
Но это идеализированные показатели. Для тех же воздушно-цинковых элементов удельная емкость в реальной продукции не превышает 500 Вт*ч/кг, то есть большую часть массы готовой батареи занимают корпус, электроды, электролит и мембрана, а не активное вещество. Соответственно, реальные емкости для литиевого и алюминиевого аналога составят примерно 1.8 кВт*ч/кг и 1.5 кВт*ч/кг.
Вроде бы относительно неплохо, хоть и существенно хуже, чем у бензина, однако на практике в автомобилестроении не применяются по многочисленным причинам:
- Все существующие элементы такого рода первичны, то есть являются чистыми батареями однократного использования без возможности зарядки. Следствием этого является то, что при использовании такого источника энергии для автомобиля его придется заменять на станциях зарядки механически. Это, конечно, менее удобно, чем воткнуть разъем или вставить пистолет на заправке. Еще это усложняет устройство зарядной станции и требует стандартизации размеров батарей, что является трудноразрешимой задачей в глобальном масштабе.
Были попытки реализовать воздушно-литиевый аккумулятор, на сегодняшний день не очень удачные из-за формирования игольчатых кристаллов лития при зарядке, которые разрушали целостность батареи. Да и наличие металлического лития в батареи повышает вероятность её возгорания. - Высокий уровень саморазряда таких батарей. На текущий момент уровень саморазряда составляет больше одного процента. Так что установив свежий комплект, через несколько месяцев можно остаться без энергии, даже если и вовсе не использовать машину.
- Проблемы с коррозией и стабильностью тоже пока не решены.
Так что, похоже, на сегодняшний день это тупиковая ветка, ведущая в некуда.
Аккумуляторы.
Теперь перейду к самому вкусному: вторичные элементы, или аккумуляторы, которые в настоящее время используются в электромобилях и гибридах. Наиболее распространенный на практике вариант в настоящее время - литиевые батареи.
В отличие от воздушно-металлических элементов, где хотя бы теоретически можно хранить в батарее только восстановитель, то есть металл, а окислитель брать из окружающего воздуха, в аккумуляторах окислитель приходится хранить вместе с восстановителем. Это сразу существенно снижает удельную энергоемкость.
Так, аккумуляторы на основе оксида лития могут обладать теоретически предельной удельной энергоемкостью в 5.5 кВт*ч/кг, что более чем в два раза меньше, чем для воздушно-литиевого элемента. Оксид алюминия обладает ёмкостью в 4.6 кВт*ч/кг, а самый последний писк моды - элементы на основе оксида натрия - всего лишь 1.8 кВт*ч/кг.
Если заменить кислород на фтор, то энергоемкость немного увеличится, однако, насколько мне известно, аккумуляторов, основанных на образовании в ходе работы фторидов металлов, пока не создано. Просто ради любопытства: LiF - 6.6 кВт*ч/кг, AlF3 - 5 кВт*ч/кг, NaF - 3.8 кВт*ч/кг.
Из приведенных данных становится понятно, почему практически везде используют технологии на основе лития - он дает наибольшую удельную энергоемкость. А натрий, хоть и химически более активен, существенно тяжелее, поэтому и энергоемкость батарей на его основе существенно ниже.
Но теоретическая энергоёмкость всегда существенно выше той, что достигается на практике. Во-первых, потому что чистые элементы надо оформить в структуру батареи, что увеличивает вес и снижает энергоемкость.
А во-вторых, и это самое главное: основные вещества весьма химически активны, и эту активность надо как-то контролировать, что бы можно было управлять потоком энергии.
Поэтому и окислитель, и восстановитель помещают в молекулярные контейнеры, разделяют мембраной и электролитом, что и позволяет контролировать процесс заряда/разряда аккумуляторов.
Вроде как наиболее ёмкой технологией молекулярного контейнера является литий-кобальтовая. В ней при заряде металлический литий "прячется" между атомов углерода в аноде. При разряде ионы лития переносятся в электролите к катоду, где он химически связывается с оксидом кобальта (в результате кобальт меняет свою валентность) и выделяется энергия в виде электрического тока.
Точно энерговыделение этого процесса мне не известно, но можно предположить что оно примерно соответствует реакции образования оксида лития. Тогда предельная энергоемкость такого процесса с учетом массы молекулярных контейнеров катода и анода составит всего лишь около 490 Вт*ч/кг. Что в десять раз меньше, чем энергоемкость чистых веществ (лития и кислорода) - такова цена контроля за процессом.
Но здесь еще не учтены массы электролита, мембраны, корпуса и прочих элементов конструкции. Если их добавить, то энергоемкость снизится еще примерно в два раза и составит 250, максимум 300 Вт*ч/кг. И это очень далеко от энергоемкости бензина - именно поэтому электромобили с большим запасом хода такие тяжелые.
Другие технологии молекулярных контейнеров еще менее ёмкие. Максимум, что можно ожидать от железо-фосфатных аккумуляторов - 0.36 кВт*ч/кг, в реальности, соответственно, дай бог 0.2 кВт*ч/кг что бы было. Литий-титанатные дают 0.2 кВт*ч/кг в пределе, в реальности не дотягивают и до 0.1 кВт*ч.
Однако у этих технологий есть другие преимущества - большая безопасность, долговечность, а титанатных еще чрезвычайно широкий температурный диапазон - они сохраняют работоспособность до -60°C.
Отдельно стоит упомянуть натриевые аккумуляторы, коммерческая эксплуатация которых началась лишь совсем недавно. Они характеризуются более низкой стоимостью, не очень большой емкостью (меньше 0.2 кВт*ч/кг), достаточно широким температурным диапазоном использования (существенно больше, чем у большинства литиевых технологий, за исключением титанатных, которые являются абсолютным лидером).
Безопасность. Тут вроде вырисовывается такая зависимость: чем выше удельная ёмкость аккумуляторов, тем более они пожароопасны. В первую очередь потому что в качестве активного восстановителя в них чаще всего используют щелочные металлы, а они, за исключением лития, настолько активны, что их нельзя даже просто хранить на воздухе. А при попадании в воду они загораются, а то и взрываются.
И даже не смотря на то, что литий - наименее активный из щелочных металлов, заряженные аккумуляторы на его основе регулярно возгораются. Потому что в заряженных аккумуляторах есть металлический литий, он обычно спрятан внутри графита - и то, и другое прекрасно горит, если поджечь. Плюс обычно в ёмких аккумуляторах еще и электролит очень горюч.
Вот железо-фосфатные и титанатные аккумуляторы практически не подвержены таким проблемам, в том числе и потому, что у них низкая удельная емкость.
Если смотреть на натриевые аккумуляторы, то они повторяю ту же тендецию: наиболее ёмкие так же, если не более пожароопасны, чем литиевые. А с низкой ёмкостью имеют не очень большую пожароопасность. Пожароопасность натриевых аккумуляторов теоретически немного выше, чем литиевых из-за более высокой химической активности натрия.
Теоретически аккумуляторы на основе алюминия должны быть наименее пожароопасны, но все же не стоит забывать про термит. Теоретически - потому что на основе алюминия пока работающие на практике аккумуляторы не созданы, ну и еще зависит от того, в каком молекулярном контейнере алюминий будет в таких гипотетических аккумуляторах храниться.
Твердотельные аккумуляторы должны быть наименее пожароопасны при эксплуатации. Однако наличие в чистом виде щелочного металла в заряженном состоянии может привести к возгоранию в случае разрушение батареи, например, в автомобильной аварии.
Потушить горящий щелочной металл практически не возможно из-за высокой температуры горения, а также того факта, что для щелочных металлов вода также является по сути окислителем, то есть они в ней горят, еще и выделяя при этом водород, который дальше сам сгорает в атмосферном кислороде.
Так что аккумуляторы с высокой удельной ёмкостью достаточно пожароопасны и вроде как решения этой проблемы не предвидится.
Перспективы. К сожалению, текущие технологии достигли своего предела и роста емкости ждать не стоит. Похоже, что бензин и дизель останутся лидерами в области удельной плотности энергии, превзойти которые в ближайшее время электрическим технологиям не суждено.
Возможно, относительно скоро будет прорыв в области твердотельных аккумуляторов. Но ожидать там сильно высокой удельной емкости в ближайшем будущем не стоит. Хорошо, если будет взят рубеж в 1 кВт*ч/кг. И это все равно существенно ниже энергоемкости ископаемого топлива.
Самый идеальный вариант - это топливный элемент, который может перерабатывать ископаемое топливо напрямую в электричество. К сожалению, на сегодняшний день каких-то значимых успехов в этом направлении нет. Есть какие-то разработки топливных элементов на метаноле, но их практическое использование особо не просматривается. Кроме того, вряд ли когда в России разрешат использовать метанол в качестве топлива общего пользования.
Какая вид энергии на сегодняшний день лучше? Сложный вопрос, ответ на которых зависит от множества факторов. Если смотреть с точки зрения КПД, то электрички побеждают. Но есть нюанс: наличие зарядных станции и расстояний, на которые необходимо перемещаться. Если проблем с зарядкой нет, перемещения в основном пределах города и иногда вылазки по хорошей дороге в радиусе не больше 300 км, то электричка - вполне себе выбор.
Если же речь идет об универсальном варианте, то очевидный выбор на сегодняшний день, особенно в России - какой-либо вариант гибрида. Да и весь мир, за исключением самых развитых и небольших по размеру стран, выбирает сейчас именно такие технологии. Так что ближайшие несколько десятилетий именно эта технология будет определяющей в легковом автотранспорте. Особых прорывов тут не будет, но конструкторы постараются по максимуму поднять КПД ДВС в этих самых гибридах. Но там и так технология при заданных ограничения по массе и размеру уже близка к идеалу.
Что касается ДВС, то они будут постепенно терять свои позиции, тем не менее еще долго оставаясь главным вариантом выбора вдали от цивилизации и/или в условиях серьезного бездорожья, а также для специального применения, например, в военных целях. А таким мест в России пока предостаточно. Причина банальна - легкость транспортировки дополнительных запасов энергии, а также, что немаловажно во внедорожных применениях - легкость самого автомобиля.