Чи можна буде заряджати електромобіль за 10 хвилин?

Електромобіль Копирайт изображения AFP/GETTY IMAGES
Image caption Електромобіль Terzo Millennio фірми Lamborghini використовує суперконденсатори

Уявіть собі, що ви зможете заряджати батарею свого смартфона за секунди, а електромобіль - за хвилини.

Такі спокусливі перспективи пропонують дослідники, які розробили новий матеріал, який здатний набагато поліпшити параметри вуглецевих суперкондесаторів великої потужності. Ці конденсатори здатні дуже швидко заряджатися і настільки ж швидко віддавати накопичену енергію.

Доктор Дональд Хайгейт, науковий директор компанії Superdielectrics Ltd, стверджує, що розроблений ним свого часу матеріал для контактних лінз виявився напрочуд енергомістким полімером, здатним утримувати доволі важкі електростатичний заряд.

Конденсатори не виробляють електрику внаслідок хімічної реакції, подібно до звичайних батарей; ці пристрої накопичують енергію електростатичного поля.

Доктор Хайгейт співпрацює з університетами Брістоля та Суррею в розробці суперконденсаторів на основі нового полімеру. Він сподівається, що ці пристрої зможуть конкурувати з літій-іонними акумуляторами.

Поки що конденсатори використовують у тих випадках, коли необхідно за короткий час отримати потужний імпульс електрорушійної сили - наприклад, при запуску автомобільного двигуна. Вони також добре пристосовані для використання в системах рекуперації енергії, коли, наприклад, збирається енергія, що виділяється при гальмуванні електромобіля.

Вони також використовуються в системах енергопостачання для швидкого вирівнювання піків енергоспоживання.

Копирайт изображения Getty Images
Image caption Чи будуть електромобілі більш популярними, якщо їх можна буде заряджати за 10 хвилин?

У Сеулі планується до 2020 року ввести в дію 3,5 тисячі автобусів, які приводять у рух суперконденсатори. В Шанхаї такі автобуси використовують вже зараз.

Французька автомобільна компанія Peugeot Citroen застосовує суперконденсатори в своїх автомобілях з 2010 року.

Виробник суперконденсаторів - компанія Maxwell Technologies - стверджує, що її пристрої використовують понад мільйон автомобілів.

Поки що суперконденсатори мають меншу щільність енергії, ніж літій-іонні акумулятори. Але є у них і важливі переваги.

"Звичайні суперконденсатори вигідно відрізняються від акумуляторів тим, що вони здатні видавати за короткий час значно більшу електричну потужність, а крім того, строк їх роботи та кількість циклів зарядки-розрядки набагато перевищує ці показники в акумуляторів", - говорить Гарет Хіндс, співробітник британської Національної фізичної лабораторії.

"До недоліків відноситься той факт, що їх вартість поки відносно висока, а тривалість робочого циклу становить кілька секунд або кілька хвилин в окремих випадках", - додає він.

Якщо такий суперконденсатор приводить у рух, наприклад, інструмент в заводських умовах, це не проблема, оскільки його можна зарядити за кілька секунд.

Проте в електромобілі це стає проблемою.

Копирайт изображения SKELETON TECHNOLOGIES
Image caption Суперконденсатори фірми Skeleton Technologies використовуються в портових підіймальних кранах

Тааві Мадіберк, засновник і керівник естонської компанії Skeleton Technologies, що виробляє суперконденсатори в Естонії, Німеччини та Фінляндії, каже, що в них застосовуються графенові плівки та інші матеріали на основі вуглецю.

Такі графенові плівки, що складаються з одного шару молекул вуглецю з кристалічною решіткою, мають величезну площу поверхні. Всього один грам графену може покрити площу у 2 тисячі квадратних метрів. Це дозволяє їм накопичувати набагато більше енергії.

Продукція його компанії вже застосовується у виробництві гібридних автомобілів, особливо в автобусах і вантажівках.

Під час одного з експериментів інженери фірми встановили супероконденсатори на дизель-електричній вантажівці, яка розвозить по домівках продукцію одного з супермаркетів. Економія палива склала 32%.

Але Тааві Мадіберк визнає, що в короткостроковому плані найкращим рішенням було б поєднання суперконденсаторів з літієвими батареями, особливо у сфері електротранспорту.

Улрік Грапе, керівник компанії NaWa, розташованої на півдні Франції, погоджується з цим.

"Суперконденсатори не запасають такої кількості енергії, як батареї, але зате вони миттєво віддають її. Тому вони дуже добре підходять для прискорення і рекуперації, подвоюючи термін експлуатації батареї. Компанія NaWa виготовляє електроди, що складаються з вертикально розташованих графенових нанотрубок, на поверхні яких накопичується заряд", - наголошує пан Грапе.

Такі трубки, які покриті іншим полімером на основі вуглецю, настільки малі, що на квадратному сантиметрі можна розмістити 10 млрд трубок.

Оскільки вуглець має малу вагу, встановлення суперконденсаторів у літієві батареї знизить їх загальну вагу і збільшить відстань, яку електромобіль може проїхати без додаткової зарядки.

Копирайт изображения NAWA TECHNOLOGIES
Image caption Компанія NaWa стверджує, що її конденсатори здатні запасати в п'ять разів більше енергії, ніж звичайні

Батарея перегонового автомобіля Формули Е, вироблена фірмою Williams Advanced Engineering, важить 300 кг, але за допомогою нанотрубок вагу можна скоротити до 200 кг.

"Ми вважаємо, що здатність заряджати та розряджати батарею за секунди стане в майбутньому найважливішим показником, - каже пан Грапе. - У такої батареї буде не так багато енергії, проте вона може витримувати до мільйона циклів зарядки-розрядки. Вуглець дуже витривалий матеріал".

Звичайні літієві батареї витримують всього 3-5 тисяч таких циклів, оскільки залежать від хімічної реакції між анодом і катодом.

Іншою перевагою суперконденсаторів є те, що для їх виготовлення не потрібні рідкісні метали, наприклад, кобальт.

Копирайт изображения ALL SPORT/GETTY IMAGES
Image caption Компанія NaWa готова зменшити вагу батареї машини для перегонів

Зрозуміло, що впровадження суперконденсаторів не призведе до зникнення літієвих батарей, які продовжують удосконалюватися і щороку додають до місткості 5-10%.

Нові форми збереження електроенергії будуть мати життєво важливе значення для успіху відновлюваної енергетики. Відомо, що вітряні та сонячні електростанції постачають енергію не завжди, і необхідні інші джерела для вирівнювання піків та провалів енергоспоживання.

Вже зараз використовують різні форми збереження електроенергії - насосні гідростанції, маховики, стиснене повітря, великі акумулятори. Однак високоефективні суперконденсатори можуть стати найважливішою складовою частиною систем енергопостачання майбутнього.

Ми, однак, знаходимося тільки на початку шляху.

"Суперконденсатори на основі полімерів починають з'являтися як перспективна технологія, - говорить Гарет Хіндс, - проте треба ще багато попрацювати над досягненням необхідних параметрів місткості, потужності та терміну експлуатації при зниженні вартості".

Також на цю тему