Kan superkondensatorer byta ut batterier i elfordon?

Elbilar och hybrider är fast förankrade i den moderna bilistens tankar som en ny omgång i fordonets utveckling. Jämfört med ICE-utrustade modeller har dessa fordon sina egna fördelar och nackdelar.

Fördelarna inkluderar alltid tyst drift samt frånvaron av föroreningar under körning (även om det idag gör att ett batteri för ett elfordon förorenar miljön mer än 30 års drift av en enda dieselmotor).

Den största nackdelen med elfordon är behovet av att ladda batteriet. I samband med detta utvecklar ledande biltillverkare olika alternativ för att öka batteriets livslängd och öka intervallet mellan laddningarna. Ett av dessa alternativ är användningen av superkapacitatorer.

Tänk på denna teknik med exemplet från en ny bilindustri - Lamborghini Sian. Vilka är fördelarna och nackdelarna med denna utveckling?

Nytt på marknaden för elfordon

När Lamborghini börjar rulla ut en hybrid kan du vara säker på att det inte bara blir en mer kraftfull version av Toyota Prius.

Sian, det italienska elektrifieringsföretagets debut, är den första hybridbilen (63) som använder superkondensatorer istället för litiumjonbatterier.

Många fysiker och ingenjörer tror att de har nyckeln till massa elektrisk rörlighet snarare än litiumjonbatterier. Sian använder dessa för att lagra el och vid behov mata den till sin lilla elmotor.

Fördelarna med superkondensatorer

Supercapacitors laddar och släpper energi mycket snabbare än de flesta moderna batterier. Dessutom tål de betydligt mer laddnings- och urladdningscykler utan att förlora kapaciteten.

När det gäller Sian driver superkapacitorn en 25 kilowatt elmotor som är inbyggd i växellådan. Den kan antingen ge ytterligare boost till 6,5 hästkrafter 12-liters V785-förbränningsmotor, eller köra sportbilen på egen hand under låghastighetsmanövrer som parkering.

Eftersom laddningen är mycket snabb behöver denna hybrid inte anslutas till ett vägguttag eller laddstation. Superkondensatorer är fulladdade varje gång fordonet bromsar. Batterihybrider har också återhämtning av bromsenergi, men det är långsamt och hjälper endast delvis att utöka det elektriska området.

Superkondensatorn har ett annat mycket stort trumfkort: vikt. I Lamborghini Sian lägger hela systemet – elmotorn plus kondensatorn – bara 34 kilo till vikten. I det här fallet är effektökningen 33,5 hästkrafter. Som jämförelse väger bara Renault Zoe-batteriet (med 136 hästkrafter) runt 400 kg.

Nackdelar med superkondensatorer

Superkondensatorer har förstås också nackdelar jämfört med batterier. Med tiden samlar de energi mycket värre - om Sian inte har ridit på en vecka finns det ingen energi kvar i kondensatorn. Men det finns också möjliga lösningar på detta problem. Lamborghini samarbetar med Massachusetts Institute of Technology (MIT) för att skapa en rent elektrisk modell baserad på superkondensatorer, det berömda Terzo Millenio-konceptet (tredje årtusendet).

bst

Lamborghini, som står under Volkswagen-koncernens regi, är förresten inte det enda företaget som experimenterar inom detta område. Peugeots hybridmodeller har använt superkondensatorer i flera år, liksom Toyotas och Hondas vätebränslecellsmodeller. Kinesiska och koreanska tillverkare installerar dem i elektriska bussar och lastbilar. Och förra året köpte Tesla Maxwell Electronics, en av världens största superkondensatortillverkare, ett säkert tecken på att åtminstone Elon Musk tror på teknikens framtid.

7 viktiga fakta för att förstå superkapacitatorer

1 Hur batterier fungerar

Batteriteknik är en av de saker vi länge har tagit för givet utan att tänka på hur det fungerar. De flesta föreställer sig att vi när vi laddar helt enkelt "häller" elektricitet i batteriet, som vatten i ett glas.

Men ett batteri lagrar inte elektricitet direkt, utan genererar den bara när det behövs genom en kemisk reaktion mellan två elektroder och en vätska (oftast) som separerar dem, en så kallad elektrolyt. I denna reaktion omvandlas kemikalierna i den till andra. Under denna process genereras el. När de är helt omvandlade upphör reaktionen - batteriet laddas ur.

Men med laddningsbara batterier kan reaktionen också ske i motsatt riktning – när du laddar den startar energin den omvända processen, som återställer de ursprungliga kemikalierna. Detta kan upprepas hundratals eller tusentals gånger, men oundvikligen finns det förluster. Med tiden byggs parasitiska ämnen upp på elektroderna, så batteritiden är begränsad (vanligtvis 3000 5000 till XNUMX XNUMX cykler).

2 Hur kondensatorer fungerar

Inga kemiska reaktioner äger rum i kondensorn. Positiva och negativa avgifter genereras uteslutande av statisk elektricitet. Inuti kondensatorn finns två ledande metallplattor separerade med ett isolerande material som kallas dielektrikum.

Laddning liknar mycket att gnugga en boll i en ulltröja så att den fastnar med statisk elektricitet. Positiva och negativa laddningar samlas i plattorna, och separatorn mellan dem, som hindrar dem från att komma i kontakt, är faktiskt ett sätt att lagra energi. Kondensatorn kan laddas och urladdas till och med en miljon gånger utan kapacitetsförlust.

3 Vad är superkapacitatorer

Konventionella kondensatorer är för små för att lagra energi - vanligtvis mätt i mikrofarader (miljoner farad). Det är därför superkondensatorer uppfanns på 1950-talet. I deras största industriella varianter, tillverkade av företag som Maxwell Technologies, når kapaciteten flera tusen farad, det vill säga 10-20% av kapaciteten hos ett litiumjonbatteri.

4 Hur superkondensatorer fungerar

Till skillnad från konventionella kondensatorer finns det ingen dielektrikum. Istället är de två plattorna nedsänkta i en elektrolyt och separerade av ett mycket tunt isolerande lager. Kapacitansen för en superkondensator ökar faktiskt när arean på dessa plattor ökar och avståndet mellan dem minskar. För att öka ytan är de för närvarande belagda med porösa material som kolnanorör (så små att 10 miljarder av dem ryms i en kvadratcentimeter). Separatorn kan bara vara en molekyl tjock med ett lager av grafen.

För att förstå skillnaden är det bäst att tänka på el som vatten. En enkel kondensator skulle då vara som en pappershandduk som kan absorbera en begränsad mängd. Superkapacitorn är kökssvampen i exemplet.

5 batterier: För- och nackdelar

Batterier har en betydande fördel - hög energitäthet, vilket gör att de kan lagra relativt stora mängder energi i en liten reservoar.

Men de har också många nackdelar - tung vikt, begränsad livslängd, långsam laddning och relativt långsam energifrisättning. Dessutom används giftiga metaller och andra farliga ämnen för deras framställning. Batterier är endast effektiva över ett smalt temperaturområde, så de behöver ofta kylas eller värmas, vilket minskar deras höga effektivitet.

6 Supercapacitors: För- och nackdelar

Superkondensatorer är mycket lättare än batterier, deras livslängd är ojämförligt längre, de kräver inga farliga ämnen, de laddar och frigör energi nästan omedelbart. Eftersom de nästan inte har något inre motstånd, förbrukar de inte energi för att fungera - deras effektivitet är 97-98%. Superkondensatorer fungerar utan betydande avvikelser i hela området från -40 till +65 grader Celsius.

Nackdelen är att de lagrar betydligt mindre energi än litiumjonbatterier.

7 Nytt innehåll

Även de mest avancerade moderna superkondensatorerna kan inte helt ersätta batterier i elfordon. Men många forskare och privata företag arbetar för att förbättra dem. Till exempel i Storbritannien arbetar Superdielectrics med ett material som ursprungligen utvecklats för produktion av kontaktlinser.

Skeleton Technologies arbetar med grafen, en allotrop form av kol. Ett lager med en atomtjocklek är 100 gånger starkare än höghållfast stål, och bara 1 gram av det kan täcka 2000 32 kvadratmeter. Företaget installerade grafen superkondensatorer i konventionella dieselbilar och uppnådde XNUMX % bränslebesparingar.

Trots att superkondensatorer inte helt kan ersätta batterier, finns det idag en positiv trend i utvecklingen av denna teknik.

Frågor och svar:

Hur fungerar en superkondensator? Den fungerar på samma sätt som en högkapacitetskondensator. I den ackumuleras elektricitet på grund av statisk elektricitet under elektrolytens polarisering. Även om det är en elektrokemisk anordning, sker ingen kemisk reaktion.

Vad är en superkondensator till för? Superkondensatorer används för energilagring, startmotorer, i hybridfordon, som källor till korttidsström.

Hur skiljer sig en superkondensator från olika typer av batterier? Batteriet kan generera elektricitet själv genom en kemisk reaktion. Superkondensatorn ackumulerar bara den frigjorda energin.

Var används Supercapacitor? Kondensatorer med låg kapacitet används i blixtenheter (helt urladdade) och i alla system som kräver ett stort antal urladdnings-/laddningscykler.