Μπορούν οι υπερπυκνωτές να αντικαταστήσουν μπαταρίες σε ηλεκτρικά οχήματα;

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τα υβρίδια είναι σταθερά ριζωμένα στο μυαλό του σύγχρονου αυτοκινητιστή ως ένας νέος γύρος στην εξέλιξη των οχημάτων. Σε σύγκριση με μοντέλα εξοπλισμένα με ICE, αυτά τα οχήματα έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν πάντα την αθόρυβη λειτουργία, καθώς και την απουσία ρύπανσης κατά την οδήγηση (αν και σήμερα, η παραγωγή μιας μπαταρίας για ένα ηλεκτρικό όχημα μολύνει το περιβάλλον για περισσότερα από 30 χρόνια λειτουργίας ενός μόνο πετρελαιοκινητήρα).

Το κύριο μειονέκτημα των ηλεκτρικών οχημάτων είναι η ανάγκη φόρτισης της μπαταρίας. Σε σχέση με αυτό, οι κορυφαίοι κατασκευαστές αυτοκινήτων αναπτύσσουν διάφορες επιλογές για το πώς να αυξήσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και να αυξήσουν το διάστημα μεταξύ των φορτίων. Μία από αυτές τις επιλογές είναι η χρήση των υπερσυμπιεστών.

Εξετάστε αυτήν την τεχνολογία χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας νέας αυτοκινητοβιομηχανίας - της Lamborghini Sian. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτής της εξέλιξης;

Νέο στην αγορά ηλεκτρικών οχημάτων

Όταν η Lamborghini αρχίζει να κυκλοφορεί ένα υβριδικό, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι δεν θα είναι μόνο μια πιο ισχυρή έκδοση του Toyota Prius.

Το Sian, το ντεμπούτο της ιταλικής εταιρείας ηλεκτρισμού, είναι το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο παραγωγής (ένα επιβλητικό 63) που χρησιμοποίησε υπερπυκνωτές αντί για μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Πολλοί φυσικοί και μηχανικοί πιστεύουν ότι κατέχουν το κλειδί για τη μαζική ηλεκτρική κινητικότητα, αντί για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ο Sian τα χρησιμοποιεί για να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια και, εάν είναι απαραίτητο, να το τροφοδοτήσει στον μικρό ηλεκτρικό κινητήρα του.

Τα πλεονεκτήματα των υπερκαταναλωτών

Οι υπερσυμπιεστές φορτίζουν και απελευθερώνουν ενέργεια πολύ πιο γρήγορα από τις περισσότερες σύγχρονες μπαταρίες. Επιπλέον, μπορούν να αντέξουν σημαντικά περισσότερους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης χωρίς απώλεια χωρητικότητας.

Στην περίπτωση του Sian, ο υπερσυμπιεστής οδηγεί έναν ηλεκτροκινητήρα 25 κιλοβάτ που είναι ενσωματωμένος στο κιβώτιο ταχυτήτων. Μπορεί είτε να προσφέρει επιπλέον ώθηση στον κινητήρα εσωτερικής καύσης V6,5 12 λίτρων 785 ίππων, είτε να οδηγήσει το σπορ αυτοκίνητο μόνο του κατά τη διάρκεια ελιγμών χαμηλής ταχύτητας, όπως το πάρκινγκ.

Δεδομένου ότι η φόρτιση είναι πολύ γρήγορη, αυτό το υβριδικό δεν χρειάζεται να συνδεθεί σε πρίζα ή σταθμό φόρτισης. Οι υπερσυμπιεστές φορτίζονται πλήρως κάθε φορά που το όχημα φρενάρει. Τα υβρίδια μπαταρίας έχουν επίσης ανάκτηση ενέργειας πέδησης, αλλά είναι αργή και βοηθά μόνο εν μέρει την επέκταση της ηλεκτρικής εμβέλειας.

Ο υπερπυκνωτής έχει ένα άλλο πολύ μεγάλο ατού: το βάρος. Στη Lamborghini Sian, ολόκληρο το σύστημα – ο ηλεκτροκινητήρας συν ο πυκνωτής – προσθέτει μόνο 34 κιλά στο βάρος. Σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση της ισχύος είναι 33,5 ίπποι. Για σύγκριση, μόνο η μπαταρία του Renault Zoe (με 136 ίππους) ζυγίζει περίπου 400 κιλά.

Μειονεκτήματα των υπερκαταναλωτών

Φυσικά και οι υπερπυκνωτές έχουν μειονεκτήματα σε σχέση με τις μπαταρίες. Με την πάροδο του χρόνου, συσσωρεύουν ενέργεια πολύ χειρότερα - εάν ο Sian δεν έχει οδηγήσει για μια εβδομάδα, δεν υπάρχει ενέργεια στον πυκνωτή. Υπάρχουν όμως και πιθανές λύσεις σε αυτό το πρόβλημα. Η Lamborghini συνεργάζεται με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) για τη δημιουργία ενός αμιγώς ηλεκτρικού μοντέλου βασισμένου σε υπερπυκνωτές, το περίφημο concept Terzo Millenio (Τρίτη Χιλιετία).

bst

Παρεμπιπτόντως, η Lamborghini, η οποία τελεί υπό την αιγίδα του Ομίλου Volkswagen, δεν είναι η μόνη εταιρεία που πειραματίζεται σε αυτόν τον τομέα. Τα υβριδικά μοντέλα της Peugeot χρησιμοποιούν υπερπυκνωτές εδώ και χρόνια, όπως και τα μοντέλα κυψελών καυσίμου υδρογόνου της Toyota και της Honda. Κινέζοι και Κορεάτες κατασκευαστές τα εγκαθιστούν σε ηλεκτρικά λεωφορεία και φορτηγά. Και πέρυσι, η Tesla αγόρασε τη Maxwell Electronics, έναν από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές υπερπυκνωτών στον κόσμο, ένα σίγουρο σημάδι ότι τουλάχιστον ο Έλον Μασκ πιστεύει στο μέλλον της τεχνολογίας.

7 βασικά στοιχεία για την κατανόηση των υπερσυμπιεστών

1 Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες

Η τεχνολογία των μπαταριών είναι ένα από τα πράγματα που εδώ και καιρό θεωρούσαμε δεδομένα χωρίς να σκεφτόμαστε πώς λειτουργεί. Οι περισσότεροι άνθρωποι φαντάζονται ότι όταν φορτίζουμε, απλώς «χύνουμε» ηλεκτρισμό στην μπαταρία, όπως το νερό σε ένα ποτήρι.

Αλλά μια μπαταρία δεν αποθηκεύει απευθείας ηλεκτρική ενέργεια, αλλά την παράγει μόνο όταν χρειάζεται με μια χημική αντίδραση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και ενός υγρού (συνήθως) που τα χωρίζει, που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Σε αυτή την αντίδραση, οι χημικές ουσίες που περιέχει μετατρέπονται σε άλλες. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Όταν μετατραπούν πλήρως, η αντίδραση σταματά - η μπαταρία αποφορτίζεται.

Ωστόσο, με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, η αντίδραση μπορεί να συμβεί και προς την αντίθετη κατεύθυνση - όταν τη φορτίζετε, η ενέργεια ξεκινά την αντίστροφη διαδικασία, η οποία αποκαθιστά τις αρχικές χημικές ουσίες. Αυτό μπορεί να επαναληφθεί εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές, αλλά αναπόφευκτα υπάρχουν απώλειες. Με την πάροδο του χρόνου, παρασιτικές ουσίες συσσωρεύονται στα ηλεκτρόδια, επομένως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι περιορισμένη (συνήθως 3000 έως 5000 κύκλοι).

2 Πώς λειτουργούν οι πυκνωτές

Δεν υπάρχουν χημικές αντιδράσεις στο συμπυκνωτή. Τα θετικά και αρνητικά φορτία παράγονται αποκλειστικά από στατικό ηλεκτρισμό. Μέσα στον πυκνωτή υπάρχουν δύο αγώγιμες μεταλλικές πλάκες που χωρίζονται από ένα μονωτικό υλικό που ονομάζεται διηλεκτρικό.

Η φόρτιση μοιάζει πολύ με το τρίψιμο μιας μπάλας σε μάλλινο πουλόβερ έτσι ώστε να κολλάει με στατικό ηλεκτρισμό. Θετικά και αρνητικά φορτία συσσωρεύονται στις πλάκες και ο διαχωριστής μεταξύ τους, που τους εμποδίζει να έρθουν σε επαφή, είναι στην πραγματικότητα ένα μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Ο πυκνωτής μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί ακόμη και ένα εκατομμύριο φορές χωρίς απώλεια χωρητικότητας.

3 Τι είναι οι υπερπυκνωτές

Οι συμβατικοί πυκνωτές είναι πολύ μικροί για να αποθηκεύσουν ενέργεια - συνήθως μετρώνται σε μικροφαράντ (εκατομμύρια φαράντ). Αυτός είναι ο λόγος που οι υπερπυκνωτές εφευρέθηκαν τη δεκαετία του 1950. Στις μεγαλύτερες βιομηχανικές παραλλαγές τους, που κατασκευάζονται από εταιρείες όπως η Maxwell Technologies, η χωρητικότητα φτάνει πολλές χιλιάδες φαράντ, δηλαδή το 10-20% της χωρητικότητας μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου.

4 Πώς λειτουργούν οι υπερπυκνωτές

Σε αντίθεση με τους συμβατικούς πυκνωτές, δεν υπάρχει διηλεκτρικό. Αντίθετα, οι δύο πλάκες βυθίζονται σε έναν ηλεκτρολύτη και χωρίζονται από ένα πολύ λεπτό μονωτικό στρώμα. Η χωρητικότητα ενός υπερπυκνωτή στην πραγματικότητα αυξάνεται καθώς η περιοχή αυτών των πλακών αυξάνεται και η απόσταση μεταξύ τους μειώνεται. Για να αυξηθεί η επιφάνεια, επί του παρόντος επικαλύπτονται με πορώδη υλικά όπως νανοσωλήνες άνθρακα (τόσο μικροσκοπικοί που 10 δισεκατομμύρια από αυτούς χωρούν σε ένα τετραγωνικό εκατοστό). Ο διαχωριστής μπορεί να έχει πάχος μόνο ενός μορίου με ένα στρώμα γραφενίου.

Για να κατανοήσετε τη διαφορά, είναι καλύτερο να σκεφτείτε τον ηλεκτρισμό ως νερό. Ένας απλός πυκνωτής θα ήταν τότε σαν χαρτοπετσέτα που μπορεί να απορροφήσει περιορισμένη ποσότητα. Το supercapacitor είναι το σφουγγάρι κουζίνας στο παράδειγμα.

5 μπαταρίες: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Οι μπαταρίες έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα - την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η οποία τους επιτρέπει να αποθηκεύουν σχετικά μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε μια μικρή δεξαμενή.

Ωστόσο, έχουν επίσης πολλά μειονεκτήματα - μεγάλο βάρος, περιορισμένη διάρκεια ζωής, αργή φόρτιση και σχετικά αργή απελευθέρωση ενέργειας. Επιπλέον, για την παραγωγή τους χρησιμοποιούνται τοξικά μέταλλα και άλλες επικίνδυνες ουσίες. Οι μπαταρίες είναι αποδοτικές μόνο σε στενό εύρος θερμοκρασίας, επομένως συχνά χρειάζονται ψύξη ή θέρμανση, μειώνοντας την υψηλή απόδοση τους.

6 Supercapacitors: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Οι υπερπυκνωτές είναι πολύ ελαφρύτεροι από τις μπαταρίες, η διάρκεια ζωής τους είναι ασύγκριτα μεγαλύτερη, δεν απαιτούν επικίνδυνες ουσίες, φορτίζουν και απελευθερώνουν ενέργεια σχεδόν αμέσως. Δεδομένου ότι δεν έχουν σχεδόν καμία εσωτερική αντίσταση, δεν καταναλώνουν ενέργεια για να λειτουργήσουν - η απόδοσή τους είναι 97-98%. Οι υπερπυκνωτές λειτουργούν χωρίς σημαντικές αποκλίσεις σε όλο το εύρος από -40 έως +65 βαθμούς Κελσίου.

Το μειονέκτημα είναι ότι αποθηκεύουν σημαντικά λιγότερη ενέργεια από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

7 Νέο περιεχόμενο

Ακόμη και οι πιο εξελιγμένοι σύγχρονοι υπερσυμπιεστές δεν μπορούν να αντικαταστήσουν πλήρως τις μπαταρίες στα ηλεκτρικά οχήματα. Αλλά πολλοί επιστήμονες και ιδιωτικές εταιρείες εργάζονται για τη βελτίωσή τους. Για παράδειγμα, στο Ηνωμένο Βασίλειο, η Superdielectrics συνεργάζεται με ένα υλικό που αναπτύχθηκε αρχικά για την παραγωγή φακών επαφής.

Η Skeleton Technologies εργάζεται με το γραφένιο, μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα. Ένα στρώμα πάχους ενός ατόμου είναι 100 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα υψηλής αντοχής και μόλις 1 γραμμάριο από αυτό μπορεί να καλύψει 2000 τετραγωνικά μέτρα. Η εταιρεία εγκατέστησε υπερπυκνωτές γραφενίου σε συμβατικά φορτηγά ντίζελ και πέτυχε εξοικονόμηση καυσίμου 32%.

Παρά το γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές δεν μπορούν να αντικαταστήσουν εντελώς τις μπαταρίες, σήμερα υπάρχει μια θετική τάση στην ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας.

Ερωτήσεις και απαντήσεις:

Πώς λειτουργεί ένας υπερπυκνωτής; Λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως ένας πυκνωτής υψηλής χωρητικότητας. Σε αυτό, συσσωρεύεται ηλεκτρισμός λόγω στατικής κατά την πόλωση του ηλεκτρολύτη. Αν και πρόκειται για ηλεκτροχημική συσκευή, δεν λαμβάνει χώρα καμία χημική αντίδραση.

Σε τι χρησιμεύει ο υπερπυκνωτής; Οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται για αποθήκευση ενέργειας, κινητήρες εκκίνησης, σε υβριδικά οχήματα, ως πηγές βραχυπρόθεσμου ρεύματος.

Πώς διαφέρει ένας υπερπυκνωτής από διαφορετικούς τύπους μπαταριών; Η μπαταρία είναι ικανή να παράγει ηλεκτρική ενέργεια από μόνη της μέσω μιας χημικής αντίδρασης. Ο υπερπυκνωτής συσσωρεύει μόνο την απελευθερωμένη ενέργεια.

Πού χρησιμοποιείται ο υπερπυκνωτής; Οι πυκνωτές χαμηλής χωρητικότητας χρησιμοποιούνται σε μονάδες φλας (πλήρως αποφορτισμένες) και σε κάθε σύστημα που απαιτεί μεγάλο αριθμό κύκλων εκφόρτισης/φόρτισης.