Dlaczego akumulatory samochodowe są nadal tak ciężkie?

Kiedy byłem dzieckiem, akumulatory samochodowe były ogromnymi ciężkimi bryłami plastiku wypełnionego ołowiem i kwasem. Ważyły ​​prawie tyle samo, co telefon komórkowy (nieco przesada, przepraszam).

45 lat później akumulatory samochodowe nadal wyglądają tak samo i ważą to samo.

Tak więc, w dzisiejszych czasach i nacisk na oszczędność paliwa, dlaczego baterie wciąż ważą 40 funtów? Dlaczego postęp technologiczny nie był w stanie uczynić ich lżejszymi i bardziej wydajnymi?

Więc teraz, po odpowiedzi na twoje dosłowne pytanie na twoje prawdziwe pytanie , którego niestety nie zadałeś

Technologia akumulatorów zmieniła się do tej pory w ciągu ostatnich 100 lat. Akumulatory kwasowo-ołowiowe stały się powszechne w samochodach w 1920 roku, ołów jest zasadniczo trujący, a kwas siarkowy / ołowiowy nie jest mniej niebezpieczny. Mają tendencję do zawierania się w niskich temperaturach, zwłaszcza jeśli nie są regularnie konserwowane, i chociaż są oczywiście tanie jak diabli do produkcji, cała ich obsługa, w tym prawne wymogi dotyczące odzyskiwania starych baterii, muszą być koszmarem.

Dlaczego przemysł po prostu nie wytyczył linii i nie przestawił się na takie rzeczy jak LiIon lub dobre stare akumulatory NiCd lub NiMH, teraz, gdy samochody elektryczne pokazały, że możesz niezawodnie prowadzić lata na ich podstawie?

Akumulatory NiCd są po prostu gorsze pod każdym względem, ale mają gęstość energii niż kwas ołowiowy. NiMH jest lepszy, ale o wiele droższy i zwykle ma wyższą szybkość rozładowania, zazwyczaj (chyba że sprawisz, że będą jeszcze droższe). I nadal bardzo trudno właściwie się go pozbyć.

Baterie litowe nie są tak łatwe w obsłudze. Musisz chronić je przed wszelkiego rodzaju awariami, a niektóre z nich są śmiertelne: nie przegrzewaj baterii litowej. To eksploduje. A ciepło jest poważnym problemem wewnątrz przedziału silnikowego (uczciwie, nie musi tam być akumulator , ale jest całkiem poręczny).

Głównym powodem jest naprawdę koszt. Akumulator w moim ostatnim samochodzie, Fiacie Punto z 1999 r., Dostarczył maks. 100 A (kiedy próbowałem oszacować rzeczywisty prąd zwarciowy, około 43 A., ale nadal dużo. Powiedzmy, że P = U · I = 12V · 40A = 480W ), i miał nominalną pojemność około 30 Ah (to energia 12V · 30 Ah = 360 Wh). Kosztowało mnie to 25 €. Tak więc, z grubsza przypuszczam, produkcja jest tańsza niż 10 €.

Weźmy więc akumulator litowy, który jest produkowany masowo, a zatem tani. Najczęściej spotykane okrągłe ogniwa, które składają się na wiele akumulatorów do laptopów, wynoszą około 3 € każdy (powiedzmy 1 € w produkcji) za około 3 Ah (11,1 Wh), dostarczając do 5A (góry, nie rób tego zbyt długo) w niektórych 3,7 V. Oznacza to, że jedna z nich może dostarczyć 18,5 W. Aby osiągnąć szacunkową moc 480 W mojego taniego akumulatora samochodowego, potrzebujesz 26 z nich. Kosztowałyby 26 € produkcji, nie licząc euro, które wydajesz na obwody sterowania, ładowania i ochrony, na obudowanie ich w coś sztywnego i bezpiecznego, a także fakt, że minerały musiały wyprodukować niektóre z rzadkich metali w licie. Akumulatory nie są obecnie tańsze, a wyposażenie samochodów na całym świecie z pewnością przyspieszy ten mechanizm rynkowy.

Załóżmy skale kosztów wraz z pojemnością. Moja 26-ogniwowa bateria litowa ma energię 26 · 11,1 Wh = 288,6 Wh. Musimy więc przeskalować tę wartość o 1,25, aby osiągnąć taki sam 360Wh, jak akumulator ołowiowo-kwasowy.

Taka komórka waży około 90 g. Tak więc waga komórek wynosi 26,90 g = 2,34 kg. Ok, nie mam dokładnej wagi taniego akumulatora samochodowego w głowie, ale powiedzmy, że było to 15 kg. Więc zmniejszyliśmy wagę o około 6,3, jeśli nasza obudowa i elektronika są lekkie (nie są - o ile wiem, potrzebujesz mocnego zasilacza impulsowego, aby móc skutecznie ładować je za pomocą generator twojego samochodu, a te składają się głównie z dość masywnej cewki miedzianej, a może także z rdzenia ferrytowego, który nie jest zbyt lekki).

Prowadzi to do współczynnika kosztu wynoszącego około 3,5 między komponentem A i alternatywnym komponentem B, z wadami obsługi, mniejszą niezawodnością i zmianami łańcucha dostaw. Nic dziwnego, że przemysł motoryzacyjny nie idzie w tym kierunku. (Nawiasem mówiąc, mają doskonały lobbing).

Najpierw oczywista odpowiedź:

dlaczego baterie wciąż ważą 20 kg?

Ponieważ wciąż są to te same akumulatory kwasowo-ołowiowe. Proste. Żadna inna technologia nie zbliżyła się do niskiego kosztu na amper (i amperogodzinę) tych, blisko niezawodności i łatwości obsługi. 20 kg nie jest aż tak ciężkie, jeśli weźmie się pod uwagę, że „oszczędność paliwa” nadal oznacza, że ​​przeciętny nowy samochód niesie ze sobą kilkadziesiąt kilogramów funkcji „komfortu” i waży około 1 Mg dla samych części metalowych.

45 lat później akumulatory samochodowe nadal wyglądają tak samo i ważą to samo.

45? Więcej jak 120 lat ... ale tak. Wciąż budujemy mosty ze stali, nasz beton stał się lepszy, ale nadal jest zasadniczo betonowy, używamy asfaltu do dróg, miedź jest nadal naszym ulubionym przewodnikiem, najczęściej znajdowaną technologią wzmacniacza we wszystkim, co nie jest zasadniczo niską częstotliwością wzmacniacz klasy A / B oparty na tranzystorze bipolarnym, a nasze lodówki wciąż nie są oparte na bardziej wydajnych środkach transportu ciepła, ale na sprężaniu mniej lub bardziej niebezpiecznych płynów.

Najnowsze akumulatory są znacznie lżejsze i kosztują mniej przez cały okres eksploatacji pojazdu niż dotychczasowe. Ale nie używają chemii LA (kwas ołowiowy).

Akumulator LiFePO4 (litowo-żelazofosforanowy) wykona to, co jest wymagane, przy akceptowalnym koszcie całego życia, ALE przy wyższym początkowym koszcie kapitałowym - co czyni go nieatrakcyjnym dla producentów samochodów.

Niski koszt początkowy wydaje się być głównym powodem wyboru kwasu ołowiowego zamiast LiFeO4 i nie jest oczywiste, że istnieją inne naprawdę dobre powody.

Cykl życia jest znacznie dłuższy niż kwasu ołowiowego, co pozwala na obniżenie kosztów całego życia w porównaniu do kwasu ołowiowego.

W przeciwieństwie do LiIon (litowo-jonowy) „skok w serce” nie spowoduje problemów z LiIon.

Kontrola ładowania jest „dość łatwa”.

W porównaniu do kwasu ołowiowego:

Dozwolona głębokość rozładowania, a maksymalne dopuszczalne stawki ładowania są wyższe,

Zakres temperatur jest lepszy

Wydajność ładowania jest lepsza.

Wydajność samorozładowania jest lepsza.

____________________________________________

Litowo-jonowy / litowy:

Warto skomentować akumulatory LiIon, ponieważ często mają „złą prasę” pod względem bezpieczeństwa.

W porównaniu z kwasem ołowiowym, chemia LiIon oferuje znacznie lepszą gęstość masy i energii (lżejsze i mniejsze), nieco dłuższy cykl życia, wyższy koszt kapitału i prawdopodobnie nieco wyższy całkowity koszt życia. Właściwie zarządzana kontrola ładowania jest łatwiejsza. Zakresy temperatur są lepsze, wydajność ładowania / rozładowania jest nieco lepsza. Wady związane z bezpieczeństwem w dużej mierze nie stanowią problemu - patrz poniżej.

W wielu zastosowaniach akumulatory LiIon są bateria z wyboru - od Dreamliner do telefonów Samsung „Hoverboards”, Mars Rovers do laptopów i smartfonów do odtwarzaczy MP3 i innych. Pierwsze trzy powyższe zastosowania wybrano ze względu na znane spektakularne niepowodzenia. Ale wszystko, co jest używane w łaziku Mars, jest wybierane ze względu na jego przydatność w długim życiu, w nieprzyjaznym środowisku, nie może zawieść zadania. I są setki milionów akumulatorów LiIon do codziennego użytku w kieszeniach ludzi, domach, samochodach i nie tylko.

Biorąc pod uwagę, w jaki sposób MOŻE zawodzić akumulatory LiIon, liczby, które zawodzą w spektakularny sposób, są bardzo rzadkie. Powszechnie zgłaszane awarie są dość często spowodowane pewną awarią systemową, która wpływa na partię lub model baterii, która została wyprodukowana i rozprowadzona w dużych ilościach LUB aplikacje o niskim profilu głośności. W takich przypadkach wada projektowa lub produkcyjna lub wada powoduje lub dopuszcza awarie, których konsekwencje pogarszają bezlitosne zachowania chemii LiIon.

Przykłady są dobrze rozreklamowanymi wydarzeniami typu „wentylacja płomieniem” w niektórych wcześniejszych laptopach Apple, telefonach Samsung, samobalansujących „hoverboardach” i podobnych. W dwóch pierwszych przykładach zwykle kompetentni producenci zezwalali na istnienie wady projektowej nieskorygowanego i / lub niezauważonego lub skracającego rogi w produkcji w zakresie, w jakim nadrabiały za nią marginesy bezpieczeństwa. W przypadku „hoverboardów” przyczyna jest mi nieznana, ale równie dobrze może być niskiej jakości, niskokosztowej produkcji i słabej kontroli ładowania, jak wszystko inne. W urządzeniach konsumenckich awarie akumulatorów LiIon często wynikają z zwarcia występującego w ogniwie z powodu nieodpowiednich luzów i wynikającej z tego wrażliwości na uderzenia lub uderzenia w drugi koniec statystycznych różnic tolerancji produkcji.

W przypadku awarii baterii Boeing Dreamliner nie widziałem ostatecznego raportu źródłowego, ALE chociaż wystąpiło wiele dobrze nagłośnionych awarii (i być może kilka niepublikowanych) w bardzo małej ilości produktu, konsekwencje były zaskakująco dobrze ograniczone .

Szczegółowe badanie awarii, trybów i konsekwencji LiIon pokazuje, że są one prawie zawsze tak gwałtowne, jak sugeruje popularny „mit”, i chociaż uwalnianie energii jest znaczne, to jego powstrzymywanie jest stosunkowo łatwe z technicznego punktu widzenia. Przechowywanie zwiększa wagę, objętość i koszty i jest mało prawdopodobne, aby można je było znaleźć w laptopach lub urządzeniach kieszonkowych / przenośnych. Występuje w Dreamlinerach i może być łatwo stosowany w samochodowych aplikacjach z pojedynczą baterią (tj. Bez EV), utrzymując jednocześnie masę i objętość znacznie poniżej poziomów kwasu ołowiowego i przy niewielkich dodatkowych kosztach. W zastosowaniach w pojazdach elektrycznych wydaje się, że problemy zostały rozwiązane lub uwzględnione „wystarczająco dobrze”. Mam specjalistyczną wiedzę w zakresie przepisów dotyczących bezpieczeństwa pojazdów, ale jestem przekonany, że przepisy, które dostarczają nam spektakularnych manekinów i pozwalają na wychodzenie z paliw lotnych o wysokiej lotności w samochodach osobowych, również dotyczą kwestii bezpieczeństwa wokół źródeł zasilania LiIon. Nie słyszałem o immobilizacji samochodu „Tesli” z powodu awarii akumulatora - chociaż mogło się to zdarzyć - i wyobrażam sobie, że Musk i spółka wierzą, że mają ten obszar ryzyka „odpowiednio pod ręką”.

Ku mojemu rozczarowaniu, nigdy nie byłem świadkiem zdarzenia z zapaleniem płomienia LiIon i osobiście nie znam nikogo, kto to zrobił. Zdarzenia są na tyle powszechne, że od czasu do czasu publikują wiadomości w Nowej Zelandii (populacja NZ wynosi poniżej 5 milionów).

LiIon kontra LiFePO4:

W porównaniu z LiFePO4, chemia LiIon oferuje nieco lepszą gęstość masy i energii (nieco lżejszą i mniejszą), znacznie NIŻSZY cykl życia, nieco niższy koszt kapitału (na pojemność energetyczną) i znacznie niższy całkowity koszt życia. Kontrola ładowania jest mniej więcej taka sama, ale LiFePO4 są znacznie trudniejsze do uszkodzenia w marginalnych przypadkach. Zakresy temperatur nie są tak dobre, wydajność ładowania / rozładowania jest prawie taka sama. LiFePO4 są znacznie mniej podatne na problemy związane z bezpieczeństwem.

W obszarach, gdzie liczy się najmniejszy rozmiar i waga oraz najniższy koszt inwestycyjny (z dobrym przykładem zastosowania pojazdu elektrycznego) LiIon są lepsze od LiFePO4.

W prawie wszystkich innych obszarach i zastosowaniach LiFePO4 są lepsze lub znacznie lepsze niż LiIon i uważam je za aktualną technologię wyboru akumulatorów dla zapewnienia wysokiej energii, długiego życia i dużej liczby cykli magazynowania energii.

Akumulatory litowe rozruchowe istnieją przede wszystkim do wyścigów lub innych zastosowań wyczynowych lub luksusowych, w których oszczędność masy lub chwalenie się są warte kosztów.

Jednak, jak zauważyli inni, wymagania aplikacji są dość ekstremalne, a technologia litowa wymaga wiele specjalnego rozwoju i starań, aby móc niezawodnie i bezpiecznie spełniać rolę akumulatora rozruchowego / dodatkowego w pojeździe silnikowym. Ceny są niezwykle wysokie - łatwo dziesięć do dwudziestu razy więcej niż zwykły akumulator ołowiowy. Większość ludzi nie chce płacić 1000 $ za akumulator samochodowy, więc nie.

Odpowiedź jest bardzo prosta: ponieważ nie znaleźliśmy nic lepszego.

Akumulator samochodowy musi utrzymywać ładunek przez długi czas, być w stanie dostarczyć ogromny prąd i zmieścić się na małej przestrzeni. I to by pomogło, gdyby nie było zbyt drogie.

Kwas ołowiowy jest nadal najlepszym rozwiązaniem dla tych wymagań.

Możesz użyć chemii litowej, mogą one utrzymywać ładunek i dostarczać duże prądy. Są również znacznie droższe, wrażliwe na temperaturę, wymagają większej opieki elektrycznej i są bardziej spektakularne, jeśli są obchodzone elektrycznie lub mechanicznie.
Dodatkowe koszty i złożoność po prostu nie są warte korzyści wynikających ze zmniejszenia masy końcowej samochodu o <1%.

Widziałem, że dodałeś nowe pytanie na końcu swojego postu:

Dlaczego postęp technologiczny nie był w stanie uczynić ich lżejszymi i bardziej wydajnymi?

Ponieważ nie tak działa chemia.

Pojemność jednego rodzaju baterii zależy w dużej mierze od ilości posiadanych jonów - a w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych potrzebna jest masa ołowiu, a także niektóre, aby zachować nienaruszoną strukturę.

Teraz inne typy akumulatorów cierpią na brak powierzchni lub ograniczoną ruchliwość jonów, które ograniczają zdolność tych akumulatorów do pozyskiwania wysokiego prądu, ale niewiele można zrobić, aby zwiększyć to dla akumulatora kwasowo-ołowiowego - woda jest doskonałym nośnikiem dla chemikalia, a obecna zdolność pozyskiwania akumulatorów ołowiowo-kwasowych jest prawie na maksimum.

Dlatego jest to po prostu dojrzała technologia. Tak jak w ciągu ostatnich 80 lat nie ulepszyliśmy taniej stali konstrukcyjnej, niewiele można zrobić z akumulatorami ołowiowo-kwasowymi, aby uczynić je lepszymi bez rezygnacji z zasady kwasowo-ołowiowej, przy wszystkich problemach wyjaśnionych w mojej drugiej odpowiedzi .

Używanie superkondensatora jako akumulatora rozruchowego jest w pełni wykonalne i zostało wypróbowane przez entuzjastów w praktyce, patrz przykład . Oprócz wyższej ceny podano kilka przykładów praktycznych trudności:

• Sam Supercap, uruchamiając samochód łatwiej niż akumulator ołowiowy, rozładuje się po około pół godziny słuchania radia, jeśli nie będzie ciągle ładowany.
• Bezpośrednio podłączona bateria litowa + kombinacja supercap nie cierpi z góry, ale skończyła się uszkodzeniem, gdy użył jej do uruchomienia kosiarki - bateria Li potrzebowałaby dodatkowej elektroniki, aby temu zapobiec.

Głównie jeden powód: cena. Istnieją technologicznie lepsze alternatywy, takie jak akumulatory litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych, ale są one również znacznie droższe. Akumulatory te są absolutnie potrzebne w samochodach elektrycznych, w których potrzebna jest ogromna pojemność bez znacznego zwiększenia masy pojazdu (akumulatory ołowiowe byłyby zbyt ciężkie, gdyby musiały wymienić zbiornik paliwa jako jedyne źródło energii dla samochodu), ale w samochody napędzane paliwem waga pojedynczego klasycznego akumulatora ołowiowego, który jest używany tylko do rozruchu silnika, w porównaniu do masy samochodu nie jest znacząca, a stosunek ceny do pojemności jest znacznie niższy. Jest to kwestia kosztów / wydajności: są tańsze, zapewniają wystarczającą ilość energii na potrzeby samochodu, a jego waga nie ma znaczenia.