Budowanie samochodów z baterii nie jest tak szalone, jak się wydaje

Wysoki koszt i ograniczony zasięg pojazdów elektrycznych może sprawić, że będą one trudne do sprzedania, a ich najdroższym i najbardziej ograniczającym elementem są baterie.

Listwa zasilająca: Naukowiec instaluje nową pokrywę bagażnika wykonaną z włókien węglowych, które przechowują energię elektryczną.

Ale akumulatory otwierają również nowe możliwości projektowe, ponieważ można je kształtować na więcej sposobów niż zbiorniki na benzynę i ponieważ mogą być wykonane z materiałów nośnych. Gdyby ich chemia była bezpieczniejsza, akumulatory mogłyby zastąpić konwencjonalne panele drzwi i inne części nadwozia, potencjalnie czyniąc pojazd znacznie lżejszym, bardziej przestronnym i tańszym. Może to w pewnym stopniu pomóc samochodom elektrycznym konkurować z tymi napędzanymi gazem.

Tesla Motors i Volvo zademonstrowały wczesne wersje ogólnego podejścia, budując zestawy akumulatorów, które mogą zastąpić część materiałów konstrukcyjnych w konwencjonalnym samochodzie. Dziesiątki innych grup badawczych i firm podejmują dalsze kroki w celu wyprodukowania akumulatorów, które zastąpią istniejące części nadwozia, takie jak panele nadwozia i ramy.

Możliwość wykorzystania baterii jako materiałów konstrukcyjnych jest obecnie ograniczona przez stosowanie łatwopalnych elektrolitów, ale naukowcy opracowują bezpieczniejszą chemię, która mogłaby być szerzej stosowana. Podejście to rodzi również kilka praktycznych pytań: czy gromadzące energię panele nadwozia można zaprojektować tak, aby nawet po wgnieceniu samochód nadal działał? A jak droga będzie karoseria? Jednak producenci samochodów mogą skorzystać z tego podejścia pod presją, aby sprzedawać więcej pojazdów elektrycznych i hybryd, aby spełnić rygorystyczne przyszłe normy zużycia paliwa.

Baterie są najdroższym produktem w samochodach elektrycznych, więc ich tańsze sprawiłoby, że pojazdy elektryczne będą również tańsze. Ale nawet bez znaczących przełomów nowe konstrukcje akumulatorów mogą sprawić, że samochód będzie lżejszy.

Jednym z przykładów jest sposób, w jaki Tesla zaprojektowała akumulator dla Modelu S. Metalowa obudowa, która chroni akumulator, służy również do usztywnienia ramy samochodu, zmniejszając ogólną ilość potrzebnego metalu (patrz Jak Tesla jeździ innowacyjnymi samochodami elektrycznymi).

W tym miesiącu Volvo zademonstrowało inne podejście, wykorzystujące akumulatory litowo-jonowe, które są wykonane z cienkich warstw materiału, które są zwijane lub składane w celu utworzenia ogniwa akumulatora. Naukowcy z Politechnika Lulea w Szwecji we współpracy z Volvo umieścił te folie między arkuszami kompozytu z włókna węglowego. Powstała konstrukcja została wykorzystana do zastąpienia plastikowych części nadwozia i małej konwencjonalnej baterii w hybrydowej wersji Volvo S80. (Samochód jest hybrydą typu stop-start, która wykorzystuje akumulator, aby umożliwić wyłączenie silnika, gdy samochód się nie porusza).

Departament Energii USA Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych ds. Energii wydaje 37 milionów dolarów na projekty mające na celu wykorzystanie baterii jako materiałów konstrukcyjnych. (Program nazywa się RANGE, co oznacza solidne, niedrogie systemy magazynowania energii nowej generacji). W ramach dwóch projektów ARPA-E naukowcy pracują nad sposobami zaprojektowania zestawów akumulatorów, które pochłaniają energię podczas zderzenia, aby zastąpić materiały używane obecnie do ochrony pasażerów. Na przykład, zamiast pakować ogniwa baterii w solidny blok, ogniwa mogłyby w razie wypadku przemieszczać się obok siebie, rozpraszając energię.

Większość dotychczas zbadanych podejść nadal wykorzystuje konwencjonalne ogniwa akumulatorowe — części pakietu, które faktycznie przechowują energię. Gdyby można było stworzyć bezpieczniejsze ogniwa akumulatorowe, zapewniłoby to jeszcze większą elastyczność w projektowaniu samochodu. Nie trzeba by zamykać ich w ochronnych pokrowcach ani regulować ich temperatury, aby zapobiec pożarom baterii.

Kiedy nie masz obsesji na punkcie ochrony baterii, możesz być o wiele bardziej kreatywny. Nie ograniczasz się do architektury konwencjonalnych samochodów, mówi Ping Liu , który zarządza i pomagał w tworzeniu projektu ARPA-E RANGE.

W tym celu kilku badaczy opracowuje nowe metody chemiczne, które nie wykorzystują łatwopalnych elektrod, dzięki czemu baterie mogą być bezpiecznie używane jako panele drzwiowe. Rozważają zastąpienie lotnych elektrolitów mniej palnymi polimerami, materiałami na bazie wody i ceramiką (patrz Baterie półprzewodnikowe). Gdy będą mieli bezpieczniejszy elektrolit, naukowcy będą szukać sposobów na wykorzystanie elektrod baterii w ogniwie do przenoszenia obciążeń.

Volvo ma eksperymentalną wersję tego podejścia, która wykorzystuje włókna węglowe w materiałach kompozytowych do przechowywania i przewodzenia elektryczności, ale także do wzmacniania kompozytów. Urządzenie zostało uformowane na kształt pokrywy bagażnika. Ale mógł wytworzyć wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zapalić niektóre diody LED, więc nie mógł wymienić baterii w samochodzie elektrycznym lub hybrydowym. Nowsza wersja opracowywana w Imperial College w Londynie zastępuje żywicę epoksydową, która zwykle łączy włókna węglowe w kompozycie, mieszanką sztywnych materiałów i cieczy jonowych, które mogą przewodzić naładowane cząsteczki. Tworzy to rodzaj superkondensatora, który może przechowywać wystarczającą ilość energii, aby można go było wykorzystać zamiast akumulatora w hybrydzie typu stop-start.

W przypadku samochodów elektrycznych i hybryd z większymi akumulatorami superkondensatory nie przechowują wystarczającej ilości energii. Aby zapewnić wystarczający zasięg, niektórzy badacze opracowują akumulatory litowo-jonowe, w których jedna elektroda jest wykonana z włókna węglowego, a w przypadku przeciwnej stosuje się konwencjonalne materiały litowo-jonowe. Inni opracowali nielotny elektrolit polimerowy, który ma zastąpić konwencjonalne, palne elektrolity. Powstały materiał pozwoli na wykonanie dwóch prac za pomocą jednej rzeczy, mówi Leif Asp , profesor na Uniwersytecie Lulea. Kilka projektów ARPA-E stosuje takie podejście.

Jednak te nowe elektrolity i nośne ogniwa akumulatorowe prawdopodobnie nie będą przydatne w samochodach za ponad dekadę. Trudno będzie zapewnić, że akumulator będzie magazynował duże ilości energii, a także będzie wystarczająco mocny jako element konstrukcyjny.

Asp twierdzi, że pierwsze zastosowania mogłyby znaleźć się w przenośnej elektronice, gdzie akumulatory nośne mogłyby zastąpić konwencjonalne plastikowe obudowy. Ale jeśli pewnego dnia części samochodowe będą mogły być wykonane z takich materiałów, to akumulatory mogą w końcu zmienić się z czynnika ograniczającego w punkt sprzedaży.

ukryć