Ждать ли прорыва в области батарей для электромобилей
Вопрос о достоинствах и недостатках электромобиля поднимался на ВО неоднократно. При этом никогда не обсуждались предельные возможности автомобильных батарей и то, насколько электромобиль может приблизиться по своим характеристикам к машине с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Вот об этом и поговорим.
Начнем с того, что в любом ДВС сжигается топливо, при этом сначала химическая энергия пары топливо – кислород воздуха преобразуется в тепловую энергию. Затем с помощью механических устройств (поршневой машины Дизеля, Отто, Стирлинга или же турбины) тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую. При этом неизбежны непроизводительные потери тепла, имеющие принципиальный характер: КПД теплового двигателя в идеальных условиях не может превышать рассчитанного по формуле Карно. Подробности можно найти в школьных учебниках.
Отметим лишь, что чем выше температура в камере сгорания или в цилиндре, и чем ниже температура продуктов сгорания на выходе из выхлопной трубы или сопла, тем выше расчетный КПД. К потерям энергии в виде тепла добавляются потери на трение в узлах двигателя.
Реальный КПД ДВС, в зависимости от конструкции и условий эксплуатации, обычно находится в интервале 25–50 %. Это означает, что от 50 до 75 % топлива сгорает непроизводительно, и этих потерь нельзя избежать в принципе.
При езде в городских условиях ситуация еще хуже; разогнавшийся автомобиль тормозит на светофоре – и вот уже кинетическая энергия превращается в тепло в тормозных колодках. Очевидно, что поиск путей снижения расхода топлива – актуален для многих приложений, от генерации электроэнергии и до транспорта.
Нелишне напомнить, что теплота сгорания бензина или солярки составляет примерно 10 кВт-час/кг и, с учетом КПД ДВС, дает энергообеспеченность автомобиля 2,5–5 кВт-час на килограмм, или 2–4 кВт-час на литр топлива (в среднем 3 кВт-час). Для движения автомобиля в городских условиях существует так называемый «стандартный цикл испытаний». Для этого цикла принята норма расхода энергии 0,12 кВт-час на тонно-километр.
Если вы владелец, например, автомобиля «Шкода-Фабия», масса которого (с топливом и двумя пассажирами) 1 200 кг, то удельный расход энергии составит 0,144 кВт-час/км, и легко сосчитать, что на 100 км уйдет не менее 5 литров топлива. Для дальнейшего изложения важно другое: бензобак той же «Шкоды» объемом 45 литров обеспечит вашу машину запасом полезной энергии 135 кВт-часов.
А теперь сравним: в зависимости от версии Tesla Model S вес аккумулятора может варьироваться от 430 до 600 кг для автомобиля общей массой от 2 100 до 2 300 кг. 600-килограммовый аккумулятор Tesla Model S может обеспечить запас хода автомобиля 500 км. Энергоемкость такого аккумулятора около 100 кВт-час.
Итого: «Шкода-Фабия», масса заправленного бензобака – 46 кг. Удельная энергия – 2,9 кВт-час/кг. Tesla Model S, масса батареи – 600 кг, удельная энергия – 0,17 кВт-час/кг, хуже, чем у «Шкоды» в 18 раз!
Таскать такую батарею на себе – недешевое удовольствие. Стремясь облегчить конструкцию, разработчики заложили в нее алюминиевый кузов, а защитный поддон выполнен из титана. Это еще больше подняло цену игрушки.
Тут въедливый читатель может спросить: как же так, у батареи мобильника удельная энергия достигает 0,3 кВт-час/кг, почему у автомобильной батареи только 0,17?
А потому, что автомобильная батарея содержит тяжелую водяную систему охлаждения – иначе есть риск взрыва и пожара.
Часто в комментариях можно прочитать, что-де вот разработчики батарей поднатужатся и придумают что-то эдакое… Вот об этом и поговорим.
В принципе, любой химический источник тока (ХИТ) устроен сходно с двигателем внутреннего сгорания: в нем есть топливо (анодный материал), окислитель (катодный материал), но превращение химической энергии в электрическую происходит, минуя стадию тепловыделения, поэтому КПД ХИТ может (хотя бы в принципе) приближаться к 100 %.
Если при работе ДВС окислитель и топливо смешиваются, и электроны переносятся от топлива к окислителю на молекулярном уровне, то в ХИТ электроны переносятся через внешнюю цепь, в которую включен потребитель, а электронейтральность электродов поддерживается переносом заряда посредством ионов через электролит во внутренней цепи устройства.
Уже тут видно преимущество ДВС: движок использует для работы кислород забортного воздуха, а ХИТ несет окислитель на катоде (и в этом сходен с ракетным двигателем: там тоже кислород и топливо залиты в баки). Для сжигания килограмма топлива в ДВС нужно 2,8 кг кислорода! При этом бензобак по мере работы двигателя делается легче, а батарея массы не меняет.
Принципиальное сходство ДВС и ХИТ подсказывает: нужно использовать забортный кислород в качестве окислителя! И тогда на 5 литрах бензина можно будет проехать не 100, а 300 км, щадя экологию и экономя тьму топлива. И такие ХИТ есть, они называются топливными элементами.
К сожалению, заставить их работать на бензине или солярке не удается, лучше всего подходят водород, спирт, гидразин. Но вот проблема: водород худо-бедно удается заставить работать, используя на аноде дорогущие катализаторы из платиновых металлов, а с прочими топливами и вовсе беда: и энергетика у них похуже, и токсичный гидразин мало чем отличается от гептила…
Остается добавить, что водород в баллонах – не подарок, и мало, и тяжело. Потому-то топливные батареи используют только там, где без них совсем никак: в космосе, в подводных лодках с воздухонезависимой энергетикой. Демонстрационные авто на топливных батареях, конечно, тоже есть, и давно, но их продвижением на рынок пока и не пахнет.
Как же электрохимики выбирают активные материалы при разработке батарей?
Всякий студент-химик, который учится, а не бьет баклуши, уже к третьему курсу может рассчитать полезную работу, которая может быть произведена при прохождении той или иной химической реакции. Опорой при расчетах служит химическая термодинамика. При расчетах становится очевидным (с поправками, интересными лишь для химиков), что самые потенциально эффективные химические элементы находятся в начале Периодической системы, и их немного: анодные материалы – водород, литий, бериллий, бор, углерод, натрий, магний, алюминий; катодные – фтор, кислород, хлор…
Ничего не напоминает?
Правильно, эти же компоненты применяют в ракетах – либо напрямую, либо в составе химических соединений.
Водород в паре с забортным кислородом в топливной батарее может дать сумасшедшие 32 кВт-час/кг, вдесятеро больше, чем бензин, но – это только на бумаге. Напряжение на топливной ячейке не превосходит 0,8 В вместо теоретического 1,24 В – и это первая потеря.
Вторая потеря – баллоны, в которых надо возить водород: даже при давлении 300 атмосфер в литровый баллон поместится не больше 26 г водорода. И баллон при этом гораздо тяжелее содержимого. Криогенное хранение водорода тоже не подарок: плотность жидкого водорода почти в 20 раз меньше, чем у воды, а температура кипения всего несколько градусов по Кельвину.
Что там дальше? Литий. Атомная масса семь, относительно доступен, при определенной сноровке с ним можно работать на воздухе. Но при заряде растет на аноде не в виде пленки или порошка, а в виде иголочек-дендритов, и потому сам по себе в аккумуляторах не используется: дендриты прокалывают сепаратор, приводя к короткому замыканию. Он может внедряться в углерод или некоторые другие материалы, чем и пользуются в литийионных батареях.
При этом масса вспомогательных материалов гораздо больше массы лития. Здесь кроется резерв для повышения энергоемкости батарей. Например, если использовать керамические мембраны, можно предотвратить замыкания, работая с металлическим литием – но изготовить такие мембраны невероятно сложно, они хрупки и плохо проводят ионный ток.
Далее – бериллий и бор. Первый – редок и ядовит, и не хочет работать обратимо. Второй – и доступен, и не токсичен, но его применение сталкивается с огромным количеством технических трудностей.
Теперь – о катодных материалах.
Фтор – страшный яд, в нем корродирует всё, кроме серебра и никеля, и продукт реакции (в паре с водородом) тоже не подарок: ядовитая плавиковая кислота. Хлор не многим лучше, хотя и применяется в некоторых батареях. Кислород интереснее прочих, но в баллонах может порадовать разве что на подводных лодках и в космических кораблях. Во всех прочих случаях он должен поступать из воздуха.
И в самом деле, ставшие привычными цинк-воздушные элементы имеют энергоемкость в разы больше, чем цинк-марганцевые. Вот только они не обратимые, аккумулятор на них хоть и возможен в принципе, но на практике реализовать его никому не удавалось.
А он таков: реальный выбор электрохимических систем, которые могут использоваться в электромобилях, невелик. Помимо проблемы эффективности активных материалов, есть еще проблемы их хранения, доступности, токсичности и многие другие. Не все эти задачи решаемы хотя бы в принципе.
Разумеется, батареи будут удешевляться, будет расти их удельная энергия и мощность, но нет причин ожидать какого-то фундаментального прорыва. Вряд ли в обозримом будущем появятся батареи с удельной энергией больше 0,3 кВт-час/кг, и десятикратный разрыв с энергоемкостью бензобака сохранится.
А где же выход?
Пока что лучшим решением, вероятно, является использование гибридных автомобилей, в которых относительно небольшая литийионная батарея в паре с ДВС позволит экономить в городском цикле примерно 30 % топлива, пропорционально снижая количество выбросов СО2 и сберегая моторесурс.
И последнее.
В Калинграде планируется построить мощнейшее производство литийионных батарей для электромобилей. И это при том, что завод Лиотех под Новосибирском, детище Роснано, находится в состоянии банкротства, а отечественный автопром уже который год никак не разродится качественной и доступной легковушкой.
Вряд ли стоит ожидать, что новый завод будет работать целиком на отечественных материалах и технологиях: пока что этим не может похвастаться ни одно предприятие, производящее литийионные батареи в России.
Надеяться, что наше небогатое население кинется скупать электромобили, тоже не стоит. Городской электротранспорт тоже вряд ли проглотит планируемые к выпуску объемы батарей. Уж коли глава департамента транспорта Москвы говорит о том, что самый дорогой транспорт – это «Экобусы», то вряд ли они понадобятся в нищих Саратове или Сыктывкаре.
Что это: очередной распил?
Недавно пришел запрос от одного предприятия: чем заменить сополимер для производства корпусов для батарей? Санкции-с… Уж коли простого сополимера нет, то о каких литийионных батареях можно вести речь? Там – огромный перечень сложнейшего оборудования, приборов, десятков наименований материалов, в России не производимых. Единственное возможное объяснение – завод, вероятно, строится не под электромобили, а под оборонку. Под те же дроны, например. Всё прочее, на мой взгляд – прикрытие.
КПД
Начнем с того, что в любом ДВС сжигается топливо, при этом сначала химическая энергия пары топливо – кислород воздуха преобразуется в тепловую энергию. Затем с помощью механических устройств (поршневой машины Дизеля, Отто, Стирлинга или же турбины) тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую. При этом неизбежны непроизводительные потери тепла, имеющие принципиальный характер: КПД теплового двигателя в идеальных условиях не может превышать рассчитанного по формуле Карно. Подробности можно найти в школьных учебниках.
Отметим лишь, что чем выше температура в камере сгорания или в цилиндре, и чем ниже температура продуктов сгорания на выходе из выхлопной трубы или сопла, тем выше расчетный КПД. К потерям энергии в виде тепла добавляются потери на трение в узлах двигателя.
Реальный КПД ДВС, в зависимости от конструкции и условий эксплуатации, обычно находится в интервале 25–50 %. Это означает, что от 50 до 75 % топлива сгорает непроизводительно, и этих потерь нельзя избежать в принципе.
При езде в городских условиях ситуация еще хуже; разогнавшийся автомобиль тормозит на светофоре – и вот уже кинетическая энергия превращается в тепло в тормозных колодках. Очевидно, что поиск путей снижения расхода топлива – актуален для многих приложений, от генерации электроэнергии и до транспорта.
Нелишне напомнить, что теплота сгорания бензина или солярки составляет примерно 10 кВт-час/кг и, с учетом КПД ДВС, дает энергообеспеченность автомобиля 2,5–5 кВт-час на килограмм, или 2–4 кВт-час на литр топлива (в среднем 3 кВт-час). Для движения автомобиля в городских условиях существует так называемый «стандартный цикл испытаний». Для этого цикла принята норма расхода энергии 0,12 кВт-час на тонно-километр.
Если вы владелец, например, автомобиля «Шкода-Фабия», масса которого (с топливом и двумя пассажирами) 1 200 кг, то удельный расход энергии составит 0,144 кВт-час/км, и легко сосчитать, что на 100 км уйдет не менее 5 литров топлива. Для дальнейшего изложения важно другое: бензобак той же «Шкоды» объемом 45 литров обеспечит вашу машину запасом полезной энергии 135 кВт-часов.
А теперь сравним: в зависимости от версии Tesla Model S вес аккумулятора может варьироваться от 430 до 600 кг для автомобиля общей массой от 2 100 до 2 300 кг. 600-килограммовый аккумулятор Tesla Model S может обеспечить запас хода автомобиля 500 км. Энергоемкость такого аккумулятора около 100 кВт-час.
Итого: «Шкода-Фабия», масса заправленного бензобака – 46 кг. Удельная энергия – 2,9 кВт-час/кг. Tesla Model S, масса батареи – 600 кг, удельная энергия – 0,17 кВт-час/кг, хуже, чем у «Шкоды» в 18 раз!
Таскать такую батарею на себе – недешевое удовольствие. Стремясь облегчить конструкцию, разработчики заложили в нее алюминиевый кузов, а защитный поддон выполнен из титана. Это еще больше подняло цену игрушки.
Тут въедливый читатель может спросить: как же так, у батареи мобильника удельная энергия достигает 0,3 кВт-час/кг, почему у автомобильной батареи только 0,17?
А потому, что автомобильная батарея содержит тяжелую водяную систему охлаждения – иначе есть риск взрыва и пожара.
Часто в комментариях можно прочитать, что-де вот разработчики батарей поднатужатся и придумают что-то эдакое… Вот об этом и поговорим.
Придумать что-то новое
В принципе, любой химический источник тока (ХИТ) устроен сходно с двигателем внутреннего сгорания: в нем есть топливо (анодный материал), окислитель (катодный материал), но превращение химической энергии в электрическую происходит, минуя стадию тепловыделения, поэтому КПД ХИТ может (хотя бы в принципе) приближаться к 100 %.
Если при работе ДВС окислитель и топливо смешиваются, и электроны переносятся от топлива к окислителю на молекулярном уровне, то в ХИТ электроны переносятся через внешнюю цепь, в которую включен потребитель, а электронейтральность электродов поддерживается переносом заряда посредством ионов через электролит во внутренней цепи устройства.
Уже тут видно преимущество ДВС: движок использует для работы кислород забортного воздуха, а ХИТ несет окислитель на катоде (и в этом сходен с ракетным двигателем: там тоже кислород и топливо залиты в баки). Для сжигания килограмма топлива в ДВС нужно 2,8 кг кислорода! При этом бензобак по мере работы двигателя делается легче, а батарея массы не меняет.
Принципиальное сходство ДВС и ХИТ подсказывает: нужно использовать забортный кислород в качестве окислителя! И тогда на 5 литрах бензина можно будет проехать не 100, а 300 км, щадя экологию и экономя тьму топлива. И такие ХИТ есть, они называются топливными элементами.
К сожалению, заставить их работать на бензине или солярке не удается, лучше всего подходят водород, спирт, гидразин. Но вот проблема: водород худо-бедно удается заставить работать, используя на аноде дорогущие катализаторы из платиновых металлов, а с прочими топливами и вовсе беда: и энергетика у них похуже, и токсичный гидразин мало чем отличается от гептила…
Остается добавить, что водород в баллонах – не подарок, и мало, и тяжело. Потому-то топливные батареи используют только там, где без них совсем никак: в космосе, в подводных лодках с воздухонезависимой энергетикой. Демонстрационные авто на топливных батареях, конечно, тоже есть, и давно, но их продвижением на рынок пока и не пахнет.
Как же электрохимики выбирают активные материалы при разработке батарей?
Всякий студент-химик, который учится, а не бьет баклуши, уже к третьему курсу может рассчитать полезную работу, которая может быть произведена при прохождении той или иной химической реакции. Опорой при расчетах служит химическая термодинамика. При расчетах становится очевидным (с поправками, интересными лишь для химиков), что самые потенциально эффективные химические элементы находятся в начале Периодической системы, и их немного: анодные материалы – водород, литий, бериллий, бор, углерод, натрий, магний, алюминий; катодные – фтор, кислород, хлор…
Ничего не напоминает?
Правильно, эти же компоненты применяют в ракетах – либо напрямую, либо в составе химических соединений.
Далее начинается колдовство
Водород в паре с забортным кислородом в топливной батарее может дать сумасшедшие 32 кВт-час/кг, вдесятеро больше, чем бензин, но – это только на бумаге. Напряжение на топливной ячейке не превосходит 0,8 В вместо теоретического 1,24 В – и это первая потеря.
Вторая потеря – баллоны, в которых надо возить водород: даже при давлении 300 атмосфер в литровый баллон поместится не больше 26 г водорода. И баллон при этом гораздо тяжелее содержимого. Криогенное хранение водорода тоже не подарок: плотность жидкого водорода почти в 20 раз меньше, чем у воды, а температура кипения всего несколько градусов по Кельвину.
Что там дальше? Литий. Атомная масса семь, относительно доступен, при определенной сноровке с ним можно работать на воздухе. Но при заряде растет на аноде не в виде пленки или порошка, а в виде иголочек-дендритов, и потому сам по себе в аккумуляторах не используется: дендриты прокалывают сепаратор, приводя к короткому замыканию. Он может внедряться в углерод или некоторые другие материалы, чем и пользуются в литийионных батареях.
При этом масса вспомогательных материалов гораздо больше массы лития. Здесь кроется резерв для повышения энергоемкости батарей. Например, если использовать керамические мембраны, можно предотвратить замыкания, работая с металлическим литием – но изготовить такие мембраны невероятно сложно, они хрупки и плохо проводят ионный ток.
Далее – бериллий и бор. Первый – редок и ядовит, и не хочет работать обратимо. Второй – и доступен, и не токсичен, но его применение сталкивается с огромным количеством технических трудностей.
Теперь – о катодных материалах.
Фтор – страшный яд, в нем корродирует всё, кроме серебра и никеля, и продукт реакции (в паре с водородом) тоже не подарок: ядовитая плавиковая кислота. Хлор не многим лучше, хотя и применяется в некоторых батареях. Кислород интереснее прочих, но в баллонах может порадовать разве что на подводных лодках и в космических кораблях. Во всех прочих случаях он должен поступать из воздуха.
И в самом деле, ставшие привычными цинк-воздушные элементы имеют энергоемкость в разы больше, чем цинк-марганцевые. Вот только они не обратимые, аккумулятор на них хоть и возможен в принципе, но на практике реализовать его никому не удавалось.
Каков же итог?
А он таков: реальный выбор электрохимических систем, которые могут использоваться в электромобилях, невелик. Помимо проблемы эффективности активных материалов, есть еще проблемы их хранения, доступности, токсичности и многие другие. Не все эти задачи решаемы хотя бы в принципе.
Разумеется, батареи будут удешевляться, будет расти их удельная энергия и мощность, но нет причин ожидать какого-то фундаментального прорыва. Вряд ли в обозримом будущем появятся батареи с удельной энергией больше 0,3 кВт-час/кг, и десятикратный разрыв с энергоемкостью бензобака сохранится.
А где же выход?
Пока что лучшим решением, вероятно, является использование гибридных автомобилей, в которых относительно небольшая литийионная батарея в паре с ДВС позволит экономить в городском цикле примерно 30 % топлива, пропорционально снижая количество выбросов СО2 и сберегая моторесурс.
И последнее.
В Калинграде планируется построить мощнейшее производство литийионных батарей для электромобилей. И это при том, что завод Лиотех под Новосибирском, детище Роснано, находится в состоянии банкротства, а отечественный автопром уже который год никак не разродится качественной и доступной легковушкой.
Вряд ли стоит ожидать, что новый завод будет работать целиком на отечественных материалах и технологиях: пока что этим не может похвастаться ни одно предприятие, производящее литийионные батареи в России.
Надеяться, что наше небогатое население кинется скупать электромобили, тоже не стоит. Городской электротранспорт тоже вряд ли проглотит планируемые к выпуску объемы батарей. Уж коли глава департамента транспорта Москвы говорит о том, что самый дорогой транспорт – это «Экобусы», то вряд ли они понадобятся в нищих Саратове или Сыктывкаре.
Что это: очередной распил?
P. S.
Недавно пришел запрос от одного предприятия: чем заменить сополимер для производства корпусов для батарей? Санкции-с… Уж коли простого сополимера нет, то о каких литийионных батареях можно вести речь? Там – огромный перечень сложнейшего оборудования, приборов, десятков наименований материалов, в России не производимых. Единственное возможное объяснение – завод, вероятно, строится не под электромобили, а под оборонку. Под те же дроны, например. Всё прочее, на мой взгляд – прикрытие.