Bateriile și limitele lor fizice

Foto: autocamion din SUA echipat cu tractiune electrica fabricata la INDA Craiova

Performanța bateriilor de tip litiu-ion de astăzi nu poate fi îmbunătățită mult mai mult. Marile speranțe pentru viitorul vehiculelor electronice depind în prezent printre  altele de scăderea prețurilor bateriilor și de prototipul super-bateriilor cu siliciu-aer.

Vehiculele electrice au multe avantaje

Vehiculele electrice sunt destinate să rezolve numeroase probleme de mediu: presupunând că ele sunt alimentate cu electricitate „verde” din surse cum ar fi energia eoliană, solară sau hidroelectrică, aceste vehicule vor fi practic fără emisii de noxe- în afară de cantitățile mari de energie implicate în procesul de fabricație pentru vehicule de orice fel, fie că sunt  alimentate cu combustibili fosili, fie sunt alimentate cu baterii. Vehiculele electrice reduc și poluarea sonoră, deoarece de deplasează  pe străzi aproape în tăcere, și sunt și foarte ușor de condus, deoarece au o accelerație mai bună decât mașinile obișnuite și de multe ori o manevrabilitate mai bună.

Factori ce limitează dezvoltarea vehiculelor electrice

Conducerea mașinilor electronice necesită  permanenta supraveghere a cantității de energie  electrică rămase în baterie. Odată ce bacteria este descărcată, dacă nu există stație de reîncărcare în zonă, trebuie apelat la un serviciu de remorcare.

Cei doi factori principali care limitează atractivitatea mașinilor electrice sunt ambii legați de bateriile lor. Care este distanța maximă ce  poate fi parcursă cu o baterie încărcată complet ?

Care este disponibilitatea stațiilor de reîncărcare din apropiere – în special a sistemelor  DC de înaltă tensiune cu încărcare rapidă, care pot reîncărca bateriile unui autovehicul de câteva ori mai repede decât reîncărcarea tipică AC în garaj la domiciliu?

Aceste 2 întrebări și le pune fiecare șofer potențial de vehicule electrice.

Cum trebuie să fie bateriile inainte ca automobilele electrice sa pornească la drum ?

Șase factori sunt critici pentru succesul sau eșecul mașinilor cu baterie.

• În primul rând, există densitatea energetică a bateriilor, și anume cantitatea de energie electrică pe care o pot stoca pe cmc sau pe kg.
• În al doilea rând, există durabilitatea ciclului de încărcare, adică numărul de cicluri de încărcare pe care le poate trece o baterie înainte de a fi terminată.
• În al treilea rând, există timpul de încărcare.
• În al patrulea rând, robustețea la temperaturi extreme – o baterie va continua să funcționeze bine în timpul unei excursii de schi în munți sau într-o zi de vară fierbinte ?
• În al cincilea rând, dacă există stații de reîncărcare rapide.
• În al șaselea rând, problema prețului. Bateriile sunt, în prezent, de departe cea mai scumpă componentă a mașinilor complet electrice.

Care este autonomia unui vehicul alimentat de la baterie?

Vehiculele electrice disponibile în prezent pe piață, alimentate exclusiv de la baterie(nu cele hibride) au autonomie cuprinsă între 150 și 250 km . În principiu, este posibilă extinderea autonomiei lor, prin simpla dublare sau triplare a masei bateriilor pe care le transportă. Acest lucru dublează și costul bateriei și vehiculului și face ca acesta să aibă costuri prohibitive. În plus, bateriile sunt foarte grele iar adăugarea unei cantități mai mari de baterii ar necesita o structură mai rigidă și mai grea a vehiculului. Dar viziunea despre vehiculele electrice este să fie mici și ușoare, potrivite pentru utilizarea în traficul urban, nu să fie imens și greu.

Daimler a prezentat recent un prototip e-camion pentru aplicatiile de livrare a marfurilor urbane, denumit „eTruck urban”. Are o rază de acțiune de până la 200 km. Bateria cântărește două tone și jumătate dar  motorul electric este considerabil mai ușor decât cel al unui camion comparabil cu motor diesel.

Care baterii domină piața?

Aproape toate bateriile reîncărcabile moderne, fie ele în telefoane mobile, laptop-uri sau vehicule electrice, utilizează variante ale tehnologiei litiu-ion. Termenul cuprinde o gamă largă de tipuri de baterii în care litiul, un metal alcalin, apare atât în ​​electrozii pozitivi, cât și în cel negativ, precum și în lichidul dintre electrozi – „electrolitul”. Electrodul negativ este în mod obișnuit realizat în principal din grafit. În funcție de materialele suplimentare prezente în electrodul pozitiv, se vorbește, de exemplu, cu baterii cu dioxid de litiu, cu baterii de titanat de litiu sau cu baterii cu litiu fosfat de fier.

Există și un tip special numit acumulator „litiu polimer”. Aici, electrolitul este un plastic de tip gel. Aceste baterii sunt în prezent cele mai puternice de pe piață. Ele ating densități de energie de până la 260 Wh/kg.  Alte baterii litiu-ion oferă un maxim de 140 până la 210 Wh/kg.

Cum se compară diferite tipuri de baterii?

Bateriile litiu-ion (Li-ion) sunt destul de scumpe, datorită prețului ridicat de piață al litiului, dar au multe avantaje comparativ cu cele mai vechi, cum ar fi bateriile plumb-acid sau cele bazate pe nichel. Astfel, bateriile litiu-ion permit reîncărcarea rapidă. Vehiculul electric echipat cu astfel de baterii, poate fi încărcat utilizând la o stație normală de c.a.  în două până la trei ore. La stațiile speciale de încărcare rapidă  în c.c., acestea pot fi încărcate în mai puțin de o oră.

Tipurile mai vechi de baterii nu au aceste avantaje și pot stoca mult mai puțină putere: bateriile cu nichel ating o densitate de energie de numai 40-60 Wh/kg   . Bateriile cu plumb, inclusiv bateriile convenționale, au o densitate de energie de numai aproximativ 30 Wh/kg dar sunt mai ieftine și pot dura mai mulți ani.

Ce durată de viață au bateriile moderne ?

Mai multe tipuri de baterii au avut dezavantajul „efectului de memorie așa cum a fost cazul bateriilor cu nichel. Reîncărcarea unui dispozitiv – cum ar fi o șurubelniță fără fir sau un laptop – într-un moment în care bateria era încă pe jumătate plină, reduce capacitatea sa de stocare iremediabil. Deci înainte de fiecare ciclu de reîncărcare nou, energia stocată în baterie trebuie utilizată în totalitate. Un „efect de memorie” ar fi dezastruos pentru mașinile electrice, deoarece autovehiculele electrice  ar trebui să fie întotdeauna descărcate complet atunci când se întâmplă să fie aproape de un punct de parcare convenabil cu un post de reîncărcare disponibil . Bateriile litiu-ion nu au un efect de memorie. Producătorii pretind că bateriile Li-ion pot rezista  până la 10.000 de cicluri de încărcare și o durată de viață de 20 de ani. În realitate, utilizatorii găsesc de multe ori că bateriile de laptop trebuie înlocuite după cinci până la șapte ani. Factorii externi, cum ar fi temperaturile extreme sau o descărcare accidentală sau supraîncărcare accidentală, pot deteriora o baterie. Dispozitivele electronice de supraveghere  a  încărcării (BMS-Batterry Management System)sunt importante pentru a preveni deteriorarea bateriilor.

Există un proiect de super-baterie în prezent ?

Forschungszentrum Jülich este un centru de cercetare științifică cu aproape șase mii de angajați, cuprinzând totul, de la biolgie și supercomputer până la tomografia cu rezonanță magnetică și modelare climatică. Se află într-un mic oraș german, la aproximativ o oră de mers cu mașina, la vest de Köln, lângă granița cu Belgia. Un grup de cercetare în campusul de cercetare Jülich lucrează la dezvoltarea bateriilor cu „siliciu-aer”, care ar putea reprezenta un progres major în cazul în care acestea pot fi făcute să lucreze. Ideea nu este cu totul nouă. S-au făcut teste cu baterii „litiu-aer”, în care electrozii pozitivi erau compuși dintr-o rețea de carbon la scară nano. Electrodul în sine nu participă direct la procesul electrochimic; în schimb, funcționează numai ca un conductor electric pe suprafața căruia este redus oxigenul. Bateriile cu siliciu-aer, descoperite pentru prima oară de Yair Ein-Eli de la Institutul Tehnologic al Israelului, funcționează pe același principiu, dar au un avantaj comparativ important : siliciul, spre deosebire de litiu, este foarte comun și foarte ieftin. Cele mai multe nisipuri sunt făcute din cuarț, care este în mare parte oxid de siliciu. Procesele de rafinare a siliciului din nisip sunt, de asemenea, deja bine dezvoltate, deoarece siliciul este utilizat în mod curent în industria semiconductorilor. Pe lângă costurile de producție potențial scăzute datorate materialelor celulelor electrochimice  relativ ieftine, performanța bateriilor cu siliciu-aer pare la prima vedere, foarte atrăgătoare: pot atinge densități volumetrice de energie care sunt de 3 până la de 10 ori mai mari decât cele ale celor mai bune baterii de curent de înaltă performanță. Bateriile cu siliciu-aer rămân însă departe de momentul disponibilității pe piață. Cea mai mare provocare o reprezintă durata de viață scăzută: până în prezent, ele pot rezista la mai puțin de 1.000 de cicluri de reîncărcare-descărcare. Experimentele efectuate de cercetătorii de la Jülich au arătat că durabilitatea bateriilor poate fi substanțial crescută prin pomparea în soluția de electroliză de hidroxid de potasiu dizolvat în apă. Chiar și atunci, însă, durabilitatea bateriilor cu siliciu-aer este doar o fracțiune din cea a acumulatorilor de litiu de astăzi.