Можно ли будет заряжать электромобиль за 10 минут?

Электромобиль Terzo Millennio фирмы Lamborghini Копірайт зображення AFP/Getty Images
Image caption Электромобиль Terzo Millennio фирмы Lamborghini использует суперконденсаторы

Представьте себе, что вы сможете заряжать батарею своего смартфона за секунды, а электромобиль - за минуты.

Такие соблазнительные перспективы предлагают исследователи, разработавшие новый материал, который способен намного улучшить параметры углеродных суперкондесаторов большой мощности. Эти конденсаторы способны очень быстро заряжаться и столь же быстро отдавать накопленную энергию.

Доктор Дональд Хайгейт, научный директор компании Superdielectrics Ltd, утверждает, что разработанный им в свое время материал для контактных линз оказался удивительно энергоемким полимером, способным удерживать мощный электростатический заряд.

Конденсаторы не вырабатывают электричество за счет химической реакции, подобно обычным батареям; эти устройства накапливают энергию электростатического поля.

Доктор Хайгейт сотрудничает с университетами Бристоля и Саррея в разработке суперконденсаторов на основе нового полимера. Он надеется, что эти устройства смогут в конечном итоге конкурировать с литиево-ионными батареями.

Пока что конденсаторы используются в тех случаях, когда необходимо за короткое время получить мощный импульс электродвижущей силы - например, при запуске автомобильного двигателя. Они также хорошо приспособлены для использования в системах рекуперации энергии, когда, например, собирается энергия, выделяемая при торможении электромобиля.

Копірайт зображення Getty Images
Image caption Если электромобили можно будет заряжать за 10 минут, станут ли они популярнее?

Они также используются в системах энергоснабжения для быстрого выравнивания пиков энергопотребления.

В Сеуле планируется к 2020 году ввести в строй 3500 автобусов, приводимых в движение суперконденсаторами. Такие автобусы уже сейчас используются в Шанхае.

Французская автомобильная компания Peugeot Citroen применяет суперконденсаторы в своих автомобилях с 2010 года; их производитель компания Maxwell Technologies утверждает, что ее устройства имеются в более чем миллионе автомобилей.

Однако пока что суперконденсаторы имеют меньшую плотность энергии, чем литиево-ионные батареи. Но есть у них и важные преимущества.

"Обычные суперконденсаторы отличаются в выгодную сторону от батарей тем, что они способны выдавать за короткое время гораздо большую электрическую мощность, а кроме того, срок их жизни и количество циклов зарядки-разрядки намного превышает эти показатели у батарей", - говорит Гарет Хиндс, сотрудник британской Национальной физической лаборатории.

"К недостаткам относится тот факт, что их стоимость пока относительно высока, а длительность рабочего цикла составляет несколько секунд или несколько минут в отдельных случаях".

Если такой суперконденсатор приводит в движение, например, инструмент в заводских условиях, скажем, шуруповерт, это не проблема, потому что его можно зарядить за несколько секунд.

Но вот в электромобиле это становится проблемой.

Копірайт зображення Skeleton Technologies
Image caption Суперконденсаторы фирмы Skeleton Technologies используются в портовых подъемных кранах

Таави Мадиберк, основатель и глава эстонской компании Skeleton Technologies, производящей суперконденсаторы в Эстонии, Германии и Финляндии, говорит, что в них применяются графеновые пленки и другие материалы на основе углерода.

Такие графеновые пленки, состоящие из одного слоя молекул углерода с кристаллической решеткой, имеют огромную площадь поверхности. Всего один грамм графена может накрыть площадь в 2 тысячи квадратных метров. Это позволяет им накапливать намного больше энергии.

Продукция его компании уже применяется в конструкции гибридных автомобилей, особенно в автобусах и грузовиках. В ходе одного из экспериментов инженеры фирмы установили супероконденсаторы на дизель-электрическом грузовике, который развозит по домам продукцию одного из супермаркетов, и добились экономии топлива на 32%.

Копірайт зображення NaWa Technologies
Image caption Компания NaWa утверждает, что ее конденсаторы способны запасать в пять раз больше энергии, чем обычные

Но Таави Мадиберк признает, что в краткосрочном плане наилучшим решением было бы сочетание суперконденсаторов с литиевыми батареями, особенно в сфере электротранспорта.

Улрик Грапе, глава компании NaWa, расположенной на юге Франции, согласен с этим.

"Суперконденсаторы не запасают такого количества энергии, как батареи, но зато они мгновенно отдают ее. Поэтому они очень хорошо подходят для ускорения и рекуперации, удваивая срок эксплуатации батареи".

"Компания NaWa изготавливает электроды, состоящие из вертикально расположенных графеновых нанотрубок, на поверхности которых накапливается заряд", - продолжает Грапе.

Такие трубки, которые покрыты другим полимером на основе углерода, настолько малы, что на квадратном сантиметре можно разместить 10 млрд трубок.

Так как углерод обладает малым весом, установка суперконденсаторов в литиевые батареи снизит их общий вес и улучшит дальность хода электромобиля.

Батарея гоночного автомобиля Формула Е, в настоящее время производимая фирмой Williams Advanced Engineering, весит 300 кг, но с помощью нанотрубок вес можно сократить до 200 кг без потери запаса хода.

Копірайт зображення ALL SPORT/Getty Images
Image caption NaWa берется сильно уменьшить вес батареи машины Формулы Е

"Мы считаем, что способность заряжать и разряжать батарею за секунды станет в будущем важнейшим показателем, - говорит Грапе. - В такой батарее будет не так много энергии, но зато она может выдерживать до миллиона циклов зарядки-разрядки. Углерод очень выносливый материал".

Обычные литиевые батареи выдерживают всего 3-5 тысяч таких циклов, так как зависят от химической реакции между анодом и катодом.

Другим преимуществом суперконденсаторов является то, что для их изготовления не требуются редкие металлы, например, кобальт.

Разумеется, внедрение суперконденсаторов не приведет к исчезновению литиевых батарей, которые продолжают совершенствоваться и каждый год добавляют к емкости 5-10%.

Новые формы сохранения электроэнергии будут иметь жизненно важное значение для успеха энергетики на возобновляемых источниках. Известно, что ветряные и солнечные электростанции поставляют энергию не постоянно, и необходимы иные источники для выравнивания пиков и провалов в энергопотреблении.

Уже сейчас используются различные формы сохранения электроэнергии - насосные гидростанции, маховики, сжатый воздух, большие аккумуляторы. Однако высокоэффективные суперконденсаторы могут стать важнейшей составной частью систем энергоснабжения будущего.

Мы, однако, находимся только в начале пути.

"Суперконденсаторы на основе полимеров начинают появляться как многообещающая технология, - говорит Гарет Хиндс, - но предстоит еще много поработать над достижением необходимых параметров емкости, мощности и срока эксплуатации при снижении стоимости".

Следите за нашими новостями в Twitter и Telegram.

Новости по теме