Pojemność do 5 razy większa... Nowe akumulatory Autor: Włodzimierz Kotowski, Eduard Konopka ( Energia Gigawat - 11/2013) Akumulatory samochodowe winny charakteryzować się następującymi właściwościami: możliwie krótkim czasem ładowania, umożliwiać dalekie przebiegi pojazdom, posiadać długą żywotność i być dogodnymi w ich bieżącej obsłudze. To, że winne być możliwie niewielkich wymiarów, lekkimi i nie wywoływać pożarów przy małych kolizjach drogowych, uznaje się powszechnie za oczywiste. Nad tego typu akumulatorami (bateriami) pracują od wielu już lat naukowcy na wszystkich kontynentach. W centrum zainteresowań znajduje się bateria litowo-jonowa. Pod względem trwałości, pojemności, czy bezpieczeństwa eksploatacyjnego górują nad powyższą akumulatory niklowo-kadmowe oraz niklowo-ołowiowe. Dotychczas baterie litowo-jonowe o niewielkich mocach bywają stosowane w laptopach, itp. wielkości mocom zastosowań. Tymczasem w pojazdach samochodowych niezbędne są wielkiej mocy akumulatory, a z czym wiąże się zagrożenie dla otoczenia tak w przypadku zwarcia, jak i podczas różnorakich kolizji pojazdów drogowych. Źródło: andesee Rys. 1. Schemat procesowo-techniczny zmodyfikowanego akumulatora litowo-jonowego W omawianego typu akumulatorach, krytycznym parametrem są stosowane roztwory elektrolitów, wśród których bywają bardzo szkodliwe dla ludzi oraz otoczenia (K. Wiedemann; neue energie, 68,4,2011). W przypadku kolizji drogowej takowe nie mogą 1
wypływać na zewnątrz. Pod tym względem korzystnie prezentują się akumulatory litowojonowe, których wariantowy schemat procesowo-techniczny ilustruje rys. 1. Typowy akumulator litowo-jonowy składa się z katody z grafitu oraz anody wykonanej z litu wraz z określonym tlenkiem metalu najczęściej tlenkiem kobaltu lub tlenkiem magnezu, albo fosforanem żelaza. Między nimi znajduje się elektrolit. Uwzględniając fakt, że lit reaguje z wodą, to w tym typie akumulatora elektrolit obejmuje palną substancję organiczną. Podczas ładowania akumulatora, jony litu osiadają na powierzchni grafitu, a w czasie jego wyładowywania ich ruch bywa odwrotny i wówczas wyzwala się energia. Rys 2. W niemieckich jednostkach naukowo-badawczych jak przykładowo w Instytucie Technologii w Karlsruhe rozpracowuje się wariantowe technologie wytwarzania akumulatorów drugiej generacji dla samochodów z napędem elektrycznym Obecne badania obejmują między innymi akumulatory litowo-jonowe z udziałem powietrza (tlenu) lub siarki. Naukowcy z Instytutu Fraunhofera w Pfinztal w RFN rozpracowują obecnie zastosowanie tzw. Redox Flow - Baterii jako napędu pojazdów drogowych. Tu energia bywa magazynowana w roztworze elektrolitu w dwóch komorach przedzielonych membraną (zmodyfikowany rys. 1). W sytuacji elektrycznie rozładowanego 2
akumulatora, jego elektrolit bywa wypompowywany do wtórnego naładowania, a w jego miejsce wprowadza się naładowany elektrolit. Po prostu w bardzo krótkim czasie zużyty elektrolit wymienia się na nowy, naładowany - co kojarzy się nam z obecnymi stacjami tankowania paliw silnikowych. Problemem obecnie stosowanych akumulatorów samochodów elektrycznie napędzanych jest fakt, że im większa bywa ich moc, tym są cięższe. Przykładowo dla przebiegu tras długości 250 kilometrów, akumulator waży około 250 kilogramów, jeśli tą drogę przebywa przy jednym ładowaniu. W tej sytuacji Instytut Technologii w Karlsruhe w RFN podjął badania w ramach tzw. nanotechnologii (obejmującej cząsteczki węgla w postaci maleńkich rureczek). Efektem tej konfiguracji jest fakt, że w elektrodzie tkwi relatywnie pokaźna powierzchnia, na której mogą osadzać się jony litu (rys. 2). W praktyce nanobaterie mogą magazynować ponaddwukrotnie (teoretycznie aż pięciokrotnie) więcej energii, niż najefektywniejsze akumulatory dotychczasowej generacji. Przemysłowe wdrożenie tej technologii możliwe będzie w okresie najbliższych lat. Wspólnie z koncernem chemicznym BASF w Ludwigshafen, w RFN i Instytutem Technologicznym w Karlsruhe utworzono laboratorium naukowe dla dalszego rozwoju technologii wytwarzania baterii litowo-siarkowych oraz litowo-powietrznych. Akumulator o wysokiej gęstości energetycznej, przy jednocześnie znacznym bezpieczeństwie eksploatacyjnym opracowano w instytucji Berliner Startup-Unternehmen DBM Energy. Jest to akumulator litowo-polimerowy z galaretowatym elektrolitem, opracowany w ramach projektu badawczego Ministerstwa Gospodarki RFN za 250.000 euro. Samochód Audi A2 trasę 600 km z Monachium do Berlina pokonał bez doładowywania akumulatora, co stanowi rekord światowy. Masowa produkcja akumulatorów dla samochodów elektrycznie napędzanych już się rozpoczęła. Między innymi niemiecka firma Li-Tec w ramach Joint-Venture koncernów Evonile z Daimlerem podejmuje ich wytwórczość w miejscowości Komenz w Saksonii. Tu będą od bieżącego roku wytwarzane akumulatory litowo-jonowe. Przedsiębiorstwo Johns Controls Saft oferuje również akumulatory litowo-jonowe o mocy 28 kwh. Mały transporter samochodowy przy ośmiogodzinnym ładowaniu akumulatora może pokonywać trasę 130 kilometrów. Ten typ akumulatora przystosowano do 3.000 cykli ładowania, które zapewniają 300.000 kilometrów przebiegu auta. Problemem obecnie produkowanych aut z napędem elektrycznym jest relatywnie wysoka cena ich akumulatorów, wynosząca średnio 10.000 euro. Większość ich wytwórców obiecuje, że od roku 2015 ich cena obniży się o około połowę. Obecnie pokaźne ceny akumulatorów dla aut z napędem elektrycznym wiążą się głównie z wysokimi wymogami ich bezpiecznej eksploatacji oraz relatywnie długiej żywotności. 3
Rys. 3. Fragment badań nad technologią wytwarzania akumulatorów drugiej generacji na Politechnice we Freibergu, RFN. Źródło: Mitsubishi Rys. 4. Czteroosobowy samochód i-miev z napędem elektrycznym, japońskiego koncernu Mitsubishi. 4
Tego typu auta winne się bezproblemowo poruszać tak w zimie przy minus 30 stopniach Celsjusza, jak i latem przy 40 stopniowych upałach. Zakłada się ponadto, że przeciętne auto osiąga 10-letnią eksploatację i tak samo winno być z jego akumulatorem. Dziś główni wytwórcy akumulatorów litowo-jonowych są zlokalizowani w Chinach, ale badania nad nową generacją akumulatorów dla aut elektrycznie napędzanych są realizowane we wszystkich krajach wysoko rozwiniętych, o czym napisano w pierwszej części niniejszego artykułu. Z wielkością przebiegu aut między ładowaniami w rzeczywistości nie ma większych problemów dzięki faktowi, że aż 90 procent pojazdów nie przekracza tras 40 kilometrów. Dla takich przebiegów nie potrzeba większego akumulatora. Dla przejazdu 40 kilometrów (tj. przy jazdach po mieście) potrzeba około sześć kilowatogodzin, a akumulatory w obecnych samochodach są o mocy w granicach 15-25 kilowatogodzin. Dla dłuższych przejazdów bardzo dogodne są ogniwa paliwowe, dla których paliwem bywa wodór, przetwarzany bezpośrednio w elektryczność. Wodór można nawet w aucie wytwarzać z metanolu. Po prostu ogniwo paliwowe to również określony rodzaj elektrycznego napędu pojazdów drogowych. Pierwszą seryjną produkcję na skalę światową samochodów z napędem elektrycznym, podjął japoński koncern Mitsubishi pod koniec 2010 roku. Ten samochód, który ilustruje rys. 4, określony skrótem i-miev, jest o masie 1100 kg, długości 3,4 metra i ma moc 49 kw (67 PS). Jego przebieg między kolejnymi ładowaniami akumulatora litowo-jonowego wynosi 150 km i osiąga maksymalną prędkość 130 km/godz., z czterema pasażerami. Ładowanie akumulatora w warunkach domowo-garażowych trwa sześć godzin. Koncern udziela pięcioletniej gwarancji, względnie na przebieg 100.000 km. Przy cenie 34.900 euro to auto na terenie Niemiec cieszy się znacznym zainteresowaniem (v.b. Sonne Wind & Warme, 24,1,2011). 5