Helyettesíthetik-e a szuperkondenzátorok az elektromos járművek akkumulátorait?

Az elektromos autók és hibridek szilárdan gyökereznek a modern autós fejében, mint új forduló a járművek fejlődésében. Az ICE-vel felszerelt modellekhez képest ezeknek a járműveknek megvannak a maguk előnyei és hátrányai.

Az előnyök között szerepel mindig a csendes működés, valamint a menet közbeni szennyezés hiánya (bár manapság egy akkumulátor gyártása elektromos jármű számára szennyezi a környezetet egy dízelmotor több mint 30 éves működése alatt).

Az elektromos járművek fő hátránya az akkumulátor töltésének szükségessége. Ezzel kapcsolatban a vezető autógyártók különféle lehetőségeket dolgoznak ki az akkumulátor élettartamának növelésére és a töltések közötti intervallum növelésére. Ezen lehetőségek egyike a szuperkondenzátorok használata.

Fontolja meg ezt a technológiát egy új autóipar - Lamborghini Sian - példáján. Milyen előnyei és hátrányai vannak ennek a fejlesztésnek?

Újdonság az elektromos járművek piacán

Amikor a Lamborghini elkezd egy hibridet bevezetni, biztos lehet benne, hogy ez nem csak a Toyota Prius erősebb változata lesz.

Az olasz villamosipari vállalat debütáló Sian az első olyan hibrid autó (hatalmas 63), amely lítium-ion akkumulátorok helyett szuperkondenzátorokat használ.

Sok fizikus és mérnök úgy véli, hogy ezek a tömeges elektromos mobilitás kulcsa, nem pedig lítium-ion akkumulátorok. Sian ezeket használja az áram tárolására, és ha szükséges, betáplálja kis elektromos motorjába.

A szuperkondenzátorok előnyei

A szuperkondenzátorok sokkal gyorsabban töltik fel és szabadítják fel az energiát, mint a legtöbb modern akkumulátor. Ezenkívül lényegesen több töltési és kisütési ciklust képesek kibírni a kapacitás elvesztése nélkül.

Sian esetében a szuperkondenzátor egy 25 kilowattos villanymotort hajt, amelyet a sebességváltóba építenek be. Vagy további lendületet adhat a 6,5 lóerős, 12 literes V785-es belső égésű motornak, vagy önállóan vezetheti a sportautót alacsony sebességű manőverek, például parkolás közben.

Mivel a töltés nagyon gyors, ezt a hibridet nem kell csatlakoztatni a fali aljzathoz vagy a töltőállomáshoz. A szuperkondenzátorok teljesen fel vannak töltve, valahányszor a jármű fékez. Az akkumulátorhibridek fékenergia-visszanyeréssel is rendelkeznek, de lassú, és csak részben segíti az elektromos hatótávolság bővítését.

A szuperkondenzátornak van még egy nagyon nagy ütőkártyája: a súly. A Lamborghini Sianban a teljes rendszer – a villanymotor és a kondenzátor – csak 34 kilogrammal növeli a súlyt. Ebben az esetben a teljesítménynövekedés 33,5 lóerő. Összehasonlításképpen a Renault Zoe akkumulátor önmagában (136 lóerővel) körülbelül 400 kg-ot nyom.

A szuperkondenzátorok hátrányai

Természetesen a szuperkondenzátoroknak is vannak hátrányai az akkumulátorokhoz képest. Idővel sokkal rosszabbul halmozzák fel az energiát - ha Sian egy hétig nem lovagol, akkor nem marad energia a kondenzátorban. De erre a problémára is vannak lehetséges megoldások. A Lamborghini a Massachusetts Institute of Technology-val (MIT) együttműködve egy szuperkondenzátorokon alapuló tisztán elektromos modellt, a híres Terzo Millenio (harmadik évezred) koncepciót hoz létre.

BST

A Volkswagen-csoport égisze alatt álló Lamborghini egyébként nem az egyetlen cég, amely ezen a területen kísérletezik. A Peugeot hibrid modelljei évek óta használnak szuperkondenzátorokat, akárcsak a Toyota és a Honda hidrogén üzemanyagcellás modelljei. A kínai és koreai gyártók elektromos buszokba és teherautókba szerelik be őket. Tavaly pedig a Tesla megvásárolta a Maxwell Electronics-t, a világ egyik legnagyobb szuperkondenzátorgyártóját, ami biztos jele annak, hogy legalább Elon Musk hisz a technológia jövőjében.

7 legfontosabb tény a szuperkondenzátorok megértéséhez

1 Hogyan működnek az elemek

Az akkumulátortechnológia egyike azon dolgoknak, amelyeket régóta természetesnek tartunk anélkül, hogy gondolkodnánk a működésén. A legtöbben azt képzelik, hogy töltéskor egyszerűen „öntjük” az áramot az akkumulátorba, mint a vizet a pohárba.

Az akkumulátor azonban nem közvetlenül tárolja az elektromosságot, hanem csak szükség esetén állítja elő azt két elektróda és egy (leggyakrabban) elválasztó folyadék, az úgynevezett elektrolit közötti kémiai reakció során. Ebben a reakcióban a benne lévő vegyszerek más anyagokká alakulnak. A folyamat során elektromos áram keletkezik. Amikor teljesen átalakulnak, a reakció leáll - az akkumulátor lemerül.

Az újratölthető akkumulátoroknál azonban a reakció ellenkező irányú is előfordulhat - töltéskor az energia beindítja a fordított folyamatot, ami visszaállítja az eredeti vegyszereket. Ez megismétlődhet százszor vagy ezerszer, de elkerülhetetlenül vannak veszteségek. Idővel parazita anyagok halmozódnak fel az elektródákon, így az akkumulátor élettartama korlátozott (általában 3000-5000 ciklus).

2 Hogyan működnek a kondenzátorok

A kondenzátorban kémiai reakciók nem mennek végbe. A pozitív és negatív töltéseket kizárólag statikus elektromosság generálja. A kondenzátor belsejében két vezető fémlemez van, amelyet elválaszt egy dielektromos szigetelőanyag.

A töltés nagyon hasonlít egy golyó gyapjú pulóverbe dörzsöléséhez, hogy az statikus elektromossággal megtapadjon. Pozitív és negatív töltések halmozódnak fel a lemezekben, és a köztük levő elválasztó, amely megakadályozza, hogy érintkezésbe kerüljenek, valójában az energia tárolásának eszköze. A kondenzátor akár milliószor is fel- és lemerülhet, kapacitásvesztés nélkül.

3 Mik azok a szuperkondenzátorok

A hagyományos kondenzátorok túl kicsik ahhoz, hogy energiát tároljanak – általában mikrofaradokban mérik (több millió farad). Ezért találták fel a szuperkondenzátorokat az 1950-es években. Legnagyobb ipari változataikban, amelyeket olyan cégek gyártanak, mint a Maxwell Technologies, a kapacitás eléri a több ezer farádot, vagyis a lítium-ion akkumulátor kapacitásának 10-20%-át.

4 Hogyan működnek a szuperkondenzátorok

A hagyományos kondenzátorokkal ellentétben nincs dielektrikum. Ehelyett a két lemezt elektrolitba merítik, és egy nagyon vékony szigetelőréteg választja el egymástól. A szuperkondenzátor kapacitása valójában növekszik, ahogy ezeknek a lemezeknek a területe nő, és a köztük lévő távolság csökken. A felület növelése érdekében jelenleg porózus anyagokkal, például szén nanocsövekkel vannak bevonva (olyan apró, hogy 10 milliárd elfér belőlük egy négyzetcm-ben). Az elválasztó csak egy molekula vastagságú lehet egy grafénréteggel.

A különbség megértése érdekében az a legjobb, ha az áramot víznek gondoljuk. Egy egyszerű kondenzátor ekkor olyan lenne, mint egy papírtörlő, amely korlátozott mennyiséget képes elnyelni. A példában a szuperkondenzátor a konyhai szivacs.

5 elem: előnyök és hátrányok

Az akkumulátoroknak van egy jelentős előnyük - a nagy energiasűrűség, amely lehetővé teszi, hogy viszonylag nagy mennyiségű energiát tároljanak egy kis tartályban.

Azonban számos hátrányuk is van - nagy súly, korlátozott élettartam, lassú töltés és viszonylag lassú energiafelszabadulás. Ezenkívül mérgező fémeket és egyéb veszélyes anyagokat használnak az előállításukhoz. Az akkumulátorok csak szűk hőmérséklet-tartományban hatékonyak, ezért gyakran hűteni vagy melegíteni kell őket, ami csökkenti a magas hatásfokukat.

6 szuperkondenzátor: előnyök és hátrányok

A szuperkondenzátorok sokkal könnyebbek, mint az akkumulátorok, élettartamuk összehasonlíthatatlanul hosszabb, nem igényelnek semmilyen veszélyes anyagot, szinte azonnal töltenek és adnak le energiát. Mivel szinte nincs belső ellenállásuk, működésükhöz nem fogyasztanak energiát - hatásfokuk 97-98%. A szuperkondenzátorok jelentős eltérések nélkül működnek a teljes -40 és +65 Celsius fok közötti tartományban.

Hátránya, hogy lényegesen kevesebb energiát tárolnak, mint a lítium-ion akkumulátorok.

7 Új tartalom

Még a legfejlettebb modern szuperkondenzátorok sem tudják teljesen kicserélni az elektromos járművek akkumulátorait. De sok tudós és magáncég dolgozik ezek javításán. Például az Egyesült Királyságban a Superdielectrics egy eredetileg kontaktlencsék gyártására kifejlesztett anyaggal dolgozik.

A Skeleton Technologies a grafénnel, a szén egy allotróp formájával dolgozik. Egy réteg egy atom vastagsága 100-szor erősebb, mint a nagy szilárdságú acél, és mindössze 1 gramm 2000 négyzetmétert fed le. A vállalat grafén szuperkondenzátorokat telepített a hagyományos dízel furgonokba, és 32%-os üzemanyag-megtakarítást ért el.

Annak ellenére, hogy a szuperkondenzátorok továbbra sem tudják teljesen kicserélni az akkumulátort, ma pozitív tendencia figyelhető meg e technológia fejlődésében.

Kérdések és válaszok:

Hogyan működik a szuperkondenzátor? Ugyanúgy működik, mint egy nagy kapacitású kondenzátor. Ebben az elektrolit polarizációja során a statikus elektromosság miatt felhalmozódik az elektromosság. Bár elektrokémiai eszközről van szó, kémiai reakció nem megy végbe.

Mire való a szuperkondenzátor? A szuperkondenzátorokat energiatárolásra, motorindításra, hibrid járművekben használják, rövid távú áramforrásként.

Miben különbözik a szuperkondenzátor a különböző típusú akkumulátoroktól? Az akkumulátor kémiai reakció révén képes önmagában elektromos áramot termelni. A szuperkondenzátor csak a felszabaduló energiát halmozja fel.

Hol használják a szuperkondenzátort? Kis kapacitású kondenzátorokat használnak vakukban (teljesen lemerülten) és minden olyan rendszerben, amely nagyszámú kisütési/töltési ciklust igényel.