Старт-стопные аккумуляторы для гибридных электромобилей
Обзор мягких гибридных автомобилей и аккумуляторов Начинать-Останавливаться
Автомобильный рынок, демонстрирующий устойчивый рост продаж, резко сократился после 2009 года. Производство электромобилей стало всё больше ориентироваться на «зелёный» сектор гибридных электромобилей и электромобилей. Установка системы «старт-стоп» с использованием традиционных аккумуляторов типа «стартер-освещение-зажигание» (СЛИ) требует исключительно высокой способности принимать заряд и плотности энергии, обеспечивая при этом превосходные пусковые характеристики по сравнению со стандартными аккумуляторами СЛИ. Такой подход снижает выбросы СО₂, однако такие системы всё ещё не достигают государственных целевых показателей выбросов. Чтобы приблизиться к приемлемому уровню стоимости, всё больше функций переносится с двигателя на аккумулятор. Это, по сути, требует аккумуляторов, способных надёжно обеспечивать большую мощность и энергоотдачу, а также работать с высокими скоростями заряда/разряда в состоянии частичной зарядки с высокой скоростью (HRPSoC). Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в таких условиях, демонстрируют более короткий срок службы, что вынуждает производителей электромобилей переходить на никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Ли-ион) аккумуляторы.
Для поддержания и расширения сильных рыночных позиций свинцово-кислотных аккумуляторов необходимы новые аккумуляторы с повышенной энергией, мощностью и долговечностью. Тенденция к замене аккумуляторов СЛИ продолжает расти, в то время как автомобили, оснащенные системами «старт-стоп», получают дополнительное преимущество в сокращении выбросов CO2 на 3–8%. Электромобили с «мягкими гибридами» и «полными гибридами» достигают большего сокращения выбросов CO2 (15–40%). Электромобили с подзарядкой от сети или «полные гибриды» более экологичны. Прогнозы показывают, что продажи электромобилей с «мягкими гибридами», способных сократить выбросы CO2 на 10–20%, продолжат расти в период 2020–2025 годов. С другой стороны, «полные гибриды» или подключаемые гибридные электромобили будут использовать никель-металлгидридные и литий-ионные аккумуляторы. Электромобили с «мягкими гибридами» по-прежнему в основном полагаются на свинцово-кислотные аккумуляторы. Это представляет собой редкую и значительную бизнес-возможность для высокопроизводительных свинцово-кислотных аккумуляторов. Смогут ли современные свинцово-кислотные аккумуляторы стать основным источником энергии для электромобилей в течение следующих 30 лет, будет зависеть от их способности обеспечивать длительный срок службы и высокую производительность.
Несколько заседаний Альянса по передовым свинцово-кислотным аккумуляторам (Передовой Вести-Кислота Аккумулятор Альянс) обсуждали свинцово-кислотные аккумуляторы. За последнее десятилетие были выявлены причины короткого срока службы и механизмы выхода из строя аккумуляторов, а также разработаны эффективные промышленные решения этой проблемы. Наиболее значимый подход заключается в добавлении углеродных добавок к аноду для предотвращения сульфатации, вызванной условиями HRPSoC. Появились супераккумуляторы с углеродными пластинами высокой ёмкости для отрицательных электродов от компаний Фурукава и Восток Пенн. Производители в Азии, Европе и США начали использовать углеродный порошок с большой площадью поверхности в активных материалах отрицательных электродов. Хотя этот подход увеличивает срок службы, другие эксплуатационные характеристики остаются неизменными.
Свинцово-кислотные аккумуляторы используют лишь 35–40% от своей теоретической ёмкости активного материала, что является основной причиной их относительно низкой удельной ёмкости и удельной мощности. В современных свинцово-кислотных аккумуляторах увеличение использования активного материала открывает значительный потенциал для повышения удельной энергии и удельной мощности (Вт·ч/кг, Вт/кг) в 2–3 раза. Здесь представлен успешный пример: выбор оптимальной решётки и применение биполярной конструкции для повышения удельной энергии и мощности.
Эксплуатационные параметры биполярных электродов и усовершенствованных сеток
| Элемент | Эталонная батарея (Батарея управления) | Новая сетка 1 | Новая Сетка 2 | Биполярная батарея |
|---|---|---|---|---|
| Удельная энергия (Вт·ч/кг) | 45 | 45 | 45 | 55 |
| Удельная мощность (Вт/кг) | 450 | 1200 | 900 | 540 |
Добавление углерода в современные свинцово-кислотные аккумуляторы выходит за рамки простого включения его в состав активного материала отрицательного электрода. Усовершенствованные формы углерода могут заменить свинец металлической решётки. Углеродные решётки в сочетании с подходящей свинцовой пастой демонстрируют исключительно высокую циклическую стабильность и долговечность, сравнимые с никель-металлгидридными и литий-ионными аккумуляторами, как показано на диаграмме выше.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в гибридных электромобилях, подвержены преждевременному старению емкости. Кроме того, коррозия и техническое обслуживание влекут за собой дополнительные расходы. Основная причина заключается в режиме эксплуатации: аккумуляторы используются не в режиме подзаряда, а в частично заряженном состоянии с высокой частотой циклов заряда/разряда. Это приводит к сульфатации отрицательных пластин, что приводит к снижению емкости и сокращению срока службы. Тем не менее, эффективность свинцово-кислотных аккумуляторов неуклонно повышается. Многие новые конструкции способны удовлетворить самые высокие требования современных применений. Дальнейшие исследования позволят свинцово-кислотным аккумуляторам оставаться самым продаваемым химическим источником тока.
