Voivatko superkondensaattorit korvata sähköajoneuvojen akut?

Sähköautot ja hybridit ovat juurtuneet nykyaikaisen autoilijan mieleen uudella kierroksella ajoneuvojen kehityksessä. Verrattuna ICE-varusteisiin malleihin, näillä ajoneuvoilla on omat edut ja haitat.

Edut sisältävät aina hiljaisen toiminnan ja saastumisen puuttumisen ajon aikana (vaikka nykyään yhden ajoneuvon akun tekeminen saastuttaa ympäristöä yli 30 vuotta yhden dieselmoottorin käydessä).

Sähköajoneuvojen suurin haittapuoli on tarve ladata akku. Tämän yhteydessä johtavat autonvalmistajat kehittävät erilaisia ​​vaihtoehtoja akun käyttöiän pidentämiseksi ja latausten välisen ajan lisäämiseksi. Yksi näistä vaihtoehdoista on superkondensaattorien käyttö.

Harkitse tätä tekniikkaa käyttämällä esimerkkiä uudesta autoteollisuudesta - Lamborghini Sian. Mitkä ovat tämän kehityksen edut ja haitat?

Uutta sähköajoneuvojen markkinoilla

Kun Lamborghini aloittaa hybridin käyttöönoton, voit olla varma, että se ei ole vain tehokkaampi versio Toyota Priuksesta.

Sian, italialaisen sähköistysyrityksen debyytti, on ensimmäinen hybridiauto (mahtava 63), joka käyttää superkondensaattoreita litium-ioni-akkujen sijasta.

Monet fyysikot ja insinöörit uskovat, että heillä on avain massan sähköiseen liikkuvuuteen kuin litium-ioni-akkuihin. Sian käyttää näitä sähkön varastointiin ja tarvittaessa syöttämiseen pienelle sähkömoottorilleen.

Superkondensaattorien edut

Superkondensaattorit latautuvat ja vapauttavat energiaa paljon nopeammin kuin nykyaikaiset akut. Lisäksi ne kestävät huomattavasti enemmän lataus- ja purkausjaksoja menettämättä kapasiteettia.

Sianin tapauksessa superkondensaattori ajaa 25 kilovatin sähkömoottoria, joka on sisäänrakennettu vaihdelaatikkoon. Se voi joko antaa lisävahvistuksen 6,5 hevosvoiman 12 litran V785-polttomoottorille tai ajaa urheiluautoa yksinään hitailla nopeuksilla, kuten pysäköinnissä.

Koska lataus on erittäin nopeaa, tätä hybridiä ei tarvitse kytkeä pistorasiaan tai latausasemaan. Superkondensaattorit ovat täysin latautuneet aina, kun ajoneuvo jarruttaa. Akkuhybrideillä on myös jarrutusenergian palautumista, mutta se on hidasta ja auttaa vain osittain laajentamaan sähköaluetta.

Superkondensaattorilla on toinen erittäin suuri valttikortti: paino. Lamborghini Sianissa koko järjestelmä – sähkömoottori plus kondensaattori – lisää painoa vain 34 kiloa. Tässä tapauksessa tehon lisäys on 33,5 hevosvoimaa. Vertailun vuoksi: Renault Zoe -akku yksin (136 hevosvoimalla) painaa noin 400 kg.

Superkondensaattorien haitat

Tietysti superkondensaattorilla on myös haittoja akkuihin verrattuna. Ajan myötä ne keräävät energiaa paljon huonommin - jos Sian ei ole ratsastanut viikkoon, kondensaattorissa ei ole energiaa jäljellä. Mutta tähän ongelmaan on myös mahdollisia ratkaisuja. Lamborghini tekee yhteistyötä Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) kanssa luodakseen superkondensaattoreihin perustuvan puhtaasti sähköisen mallin, kuuluisan Terzo Millenio (Third Millennium) -konseptin.

bst

Muuten, Volkswagen-konsernin suojeluksessa oleva Lamborghini ei ole ainoa tällä alalla kokeileva yritys. Peugeotin hybridimalleissa on käytetty superkondensaattoreita vuosia, kuten myös Toyotan ja Hondan vetypolttokennomalleissa. Kiinalaiset ja korealaiset valmistajat asentavat niitä sähköbusseihin ja kuorma-autoihin. Ja viime vuonna Tesla osti Maxwell Electronicsin, yhden maailman suurimmista superkondensaattorien valmistajista, mikä on varma merkki siitä, että ainakin Elon Musk uskoo tekniikan tulevaisuuteen.

7 keskeistä tietoa superkondensaattorien ymmärtämiseksi

1 Paristojen toiminta

Akkutekniikka on yksi niistä asioista, joita olemme pitkään pitäneet itsestäänselvyytenä ajattelematta sen toimintaa. Useimmat ihmiset kuvittelevat, että latauksen aikana "kaadamme" sähköä akkuun, kuten vettä lasiin.

Mutta akku ei varastoi sähköä suoraan, vaan tuottaa sitä vain tarvittaessa kahden elektrodin ja niitä erottavan nesteen (yleisimmin) välisen kemiallisen reaktion avulla, jota kutsutaan elektrolyytiksi. Tässä reaktiossa sen sisältämät kemikaalit muuttuvat muiksi. Tämän prosessin aikana syntyy sähköä. Kun ne ovat täysin muuntuneet, reaktio pysähtyy - akku tyhjenee.

Ladattavilla akuilla reaktio voi kuitenkin tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan - kun lataat sen, energia käynnistää käänteisen prosessin, joka palauttaa alkuperäiset kemikaalit. Tämä voidaan toistaa satoja tai tuhansia kertoja, mutta väistämättä on tappioita. Ajan myötä elektrodeille kerääntyy loisia, joten akun käyttöikä on rajoitettu (tyypillisesti 3000 5000 - XNUMX XNUMX jaksoa).

2 Kuinka kondensaattorit toimivat

Lauhduttimessa ei tapahdu kemiallisia reaktioita. Positiiviset ja negatiiviset varaukset syntyy yksinomaan staattisesta sähköstä. Kondensaattorin sisällä on kaksi johtavaa metallilevyä, jotka erotetaan eristemateriaalilla, jota kutsutaan dielektriseksi.

Lataus on hyvin samanlainen kuin pallon hierominen villapaitaan niin, että se tarttuu staattisella sähköllä. Levyihin kertyy positiivisia ja negatiivisia varauksia, ja niiden välinen erotin, joka estää niitä joutumasta kosketuksiin, on itse asiassa keino energian varastointiin. Kondensaattori voidaan ladata ja purkaa jopa miljoona kertaa menettämättä kapasiteettia.

3 Mitkä ovat superkondensaattorit

Perinteiset kondensaattorit ovat liian pieniä varastoimaan energiaa - yleensä mitataan mikrofaradeina (miljoonia faradeja). Tästä syystä superkondensaattorit keksittiin 1950-luvulla. Suurimmissa teollisissa muunnelmissaan, joita valmistavat esimerkiksi Maxwell Technologies, kapasiteetti on useita tuhansia faradia, eli 10-20 % litiumioniakun kapasiteetista.

4 Kuinka superkondensaattorit toimivat

Toisin kuin perinteiset kondensaattorit, siinä ei ole eristettä. Sen sijaan kaksi levyä upotetaan elektrolyyttiin ja erotetaan toisistaan ​​erittäin ohuella eristekerroksella. Superkondensaattorin kapasitanssi itse asiassa kasvaa, kun näiden levyjen pinta-ala kasvaa ja niiden välinen etäisyys pienenee. Pinta-alan lisäämiseksi ne on tällä hetkellä päällystetty huokoisilla materiaaleilla, kuten hiilinanoputkilla (niin pienillä, että 10 miljardia niistä mahtuu yhteen neliösenttimetriin). Erotin voi olla vain yhden molekyylin paksuinen grafeenikerroksen kanssa.

Eron ymmärtämiseksi on parasta ajatella sähköä vedestä. Yksinkertainen kondensaattori olisi tällöin kuin paperipyyhe, joka voi imeä rajoitetun määrän. Superkondensaattori on esimerkissä keittiösieni.

5 paristoa: Hyödyt ja haitat

Akuilla on yksi merkittävä etu - korkea energiatiheys, jonka ansiosta ne voivat varastoida suhteellisen suuria määriä energiaa pieneen säiliöön.

Niissä on kuitenkin myös monia haittoja - raskas paino, rajoitettu käyttöikä, hidas lataus ja suhteellisen hidas energian vapautuminen. Lisäksi niiden valmistukseen käytetään myrkyllisiä metalleja ja muita vaarallisia aineita. Akut ovat tehokkaita vain kapealla lämpötila-alueella, joten niitä on usein jäähdytettävä tai lämmitettävä, mikä heikentää niiden korkeaa hyötysuhdetta.

6 superkondensaattoria: Hyödyt ja haitat

Superkondensaattorit ovat paljon kevyempiä kuin akut, niiden käyttöikä on verrattoman pidempi, ne eivät vaadi vaarallisia aineita, ne lataavat ja vapauttavat energiaa lähes välittömästi. Koska niillä ei ole melkein mitään sisäistä vastusta, ne eivät kuluta energiaa toimiakseen - niiden hyötysuhde on 97-98%. Superkondensaattorit toimivat ilman merkittäviä poikkeamia koko alueella -40 - +65 celsiusastetta.

Haittana on, että ne tallentavat huomattavasti vähemmän energiaa kuin litium-ioniakut.

7 Uusi sisältö

Jopa edistyneimmät nykyaikaiset superkondensaattorit eivät voi täysin korvata sähköajoneuvojen akkuja. Mutta monet tutkijat ja yksityiset yritykset pyrkivät parantamaan niitä. Esimerkiksi Isossa-Britanniassa Superdielectrics toimii materiaalin kanssa, joka on alun perin kehitetty piilolinssien tuotantoon.

Skeleton Technologies työskentelee grafeenin, allotrooppisen hiilen muodon, kanssa. Yksi atomin paksuinen kerros on 100 kertaa vahvempi kuin luja teräs, ja vain 1 gramma sitä voi kattaa 2000 32 neliömetriä. Yritys asensi grafeenisuperkondensaattoreita perinteisiin dieselpakettiautoja ja saavutti XNUMX % polttoainesäästön.

Huolimatta siitä, että superkondensaattorit eivät voi korvata paristoja kokonaan, tämän tekniikan kehityksessä on nykyään positiivinen suuntaus.

Kysymyksiä ja vastauksia:

Kuinka superkondensaattori toimii? Se toimii samalla tavalla kuin suurikapasiteettinen kondensaattori. Siinä sähköä kertyy staattisen sähkön vuoksi elektrolyytin polarisaation aikana. Vaikka se on sähkökemiallinen laite, kemiallista reaktiota ei tapahdu.

Mihin superkondensaattori on tarkoitettu? Superkondensaattoreita käytetään energian varastointiin, moottoreiden käynnistämiseen, hybridiajoneuvoissa, lyhytaikaisen virran lähteinä.

Miten superkondensaattori eroaa erityyppisistä akuista? Akku pystyy tuottamaan sähköä itsestään kemiallisen reaktion kautta. Superkondensaattori kerää vain vapautuneen energian.

Missä superkondensaattoria käytetään? Pienikapasiteettisia kondensaattoreita käytetään salamayksiköissä (täysin purkautunut) ja kaikissa järjestelmissä, jotka vaativat suuren määrän purkaus-/latausjaksoja.