Массовая электрификация: когда электротранспорт захватит все дороги мира15.02.2022 13:33

В действительности у гибридов есть преимущество только на относительно коротком историческом интервале, до того момента, пока твердотельные батареи и батареи комбинированного типа не будут запущены в массовое производство. Твердотельные батареи, как минимум, практичнее и безопаснее, чем традиционные литий-ионные. Их конструкция предполагает использование минимума материалов, а чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.

По-настоящему огромный шаг вперед — это полностью электрическое транспортное средство, так как, помимо альтернативного источника энергии, оно предоставляет множество других преимуществ. Например, корпус электрического автомобиля довольно плоский и открытый, его легко упаковывать и собирать, к тому же многие компоненты традиционного автомобиля в нем попросту отсутствуют. За счет этого можно легко менять конфигурацию электромобиля. Например, автомобиль можно спроектировать так, чтобы пассажиры могли садиться спереди и проходить по салону назад. 

Сегодня самым главным препятствием, мешающим массовому распространению электротранспорта, является необходимость заряжать батареи. Аккумуляторные системы совершенствуются, но для зарядки тех же электромобилей нужна инфраструктура, поэтому большинство автопроизводителей уже объединили свои усилия для создания общей сети зарядных станций.

Твердотельные батареи уже несколько десятков лет считаются одной из самых перспективных и передовых технологий. Однако нерешенные технические проблемы долгое время не позволяли исследователям говорить о коммерческих перспективах этого типа батарей. Недавно американская компания QuantumsScape (Сан-Хосе, шт. Калифорния), разрабатывающая твердотельные аккумуляторные батареи с 2010 года, поделилась обнадеживающими данными, демонстрирующими существенный прогресс в этом направлении. Твердотельные аккумуляторы выдержали 400 последовательных 15-минутных циклов быстрой зарядки, сохранив после этого более 80% исходной емкости. Однослойные элементы компании способны выдержать более 1000 циклов заряда, сохранив более 90% начальной емкости. В течение 15-минутного цикла заряд твердотельного аккумулятора увеличивается с 10% до 80%. Литий-ионному аккумулятору для этого требуется в 4 раза больше времени. 

Твердотельный аккумулятор имеет катод и керамический сепаратор, который соединяется с анодным электрическим контактом. При зарядке батареи, литий в катоде отделяется и проходит через керамический сепаратор, который образует литий-металлический анод, обеспечивающий зарядку с высокой плотностью энергии.

Тайваньский производитель ProLogium также интенсивно работает над технологией твердотельных аккумуляторов. В 2020 году на выставке CES компания представила свои твердотельные аккумуляторы для электромобилей с керамическим электролитом, при сборке которых используется запатентованная компанией технология Multi Axis BiPolar + (MAB), позволяющая значительно сократить количество ячеек (до 8–12) и повысить плотность энергии аккумулятора. Поскольку в одном и том же объеме может храниться больше энергии, твердотельная батарея увеличивает запас хода электромобилей и другого электротранспорта. Компания утверждает, что разработанные ею батареи с твердым керамическим электролитом сохраняют целостность, даже если они подвергаются воздействию высоких температур до 280 С°.

Твердотельные батареи создают сразу 9 крупных компаний и успешных стартапов. Компания Toyota планирует запустить массовое производство твердотельных аккумуляторов к 2025 году.

Одна из проблем современных электромобилей — достаточно низкая дальность пробега на одной зарядке. При этом среднее время зарядки батарей электромобиля составляет несколько часов. 

В прошлом году израильская компания StoreDot представила прототип автомобильного аккумулятора Extreme Fast Charging (XFC), способного заряжаться на 100% за 10 минут. Увеличение скорости заряда достигнуто за счет замены графита в аноде на кремний и ступенчатого регулирования напряжения во время зарядки с использованием технологии Non-Linear Voltammetry (нелинейная вольтамперометрия). Предполагается, что после быстрой зарядки запас хода электромобиля составит 800 км.

Китайская компания DESTEN разработала первую в мире систему сверхбыстрой зарядки мощностью 900 кВт, которая позволяет заряжать электромобиль за 5 минут до уровня, обеспечивающего запас хода до 500 км. После 3000 циклов перезарядки батарея сохраняет до 80 процентов величины SoH (State-of-Health — степень работоспособности аккумулятора, отражающая текущее состояние аккумулятора по сравнению с его идеальным состоянием). При этом удельная емкость аккумулятора ниже, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов. Но этот недостаток компенсируется поддержкой сверхбыстрой зарядки. 

Качественно новым этапом развития индустрии электромобилей стала разработка в начале 2000‑х концепции Vehicle‑2-Grid (V2G) — она позволяет организовать контролируемый и двунаправленный поток электрической энергии между транспортом и сетью. Электрическая энергия поступает от сети к электромобилю, для того чтобы зарядить батарею. И наоборот, когда электрической компании необходима энергия, например, для обеспечения пиковой мощности, транспортное средство возвращает электрическую энергию обратно в сеть. 

Сейчас автоконцерны, крупнейшие производители аккумуляторов и зарядных устройств, международные энергетические компании активно ищут пути внедрения технологической концепции V2G.

Активное строительство зарядных станций для электромобилей не решает проблему доступности зарядной инфраструктуры. При росте электромобилей на дорогах станций может просто не хватить на всех, возникнут очереди. Израильская компания Electreon решила взглянуть на проблему по-другому. В 2023 году в США в Детройте появится первая дорога, которая будет заряжать электромобили, проезжающие по ней, используя индуктивную технологию. Автовладельцы должны будут установить специальный приемник на автомобиль стоимостью не более тысячи долларов.

Electreon — не единственная компания, которая работает над технологией беспроводной зарядки электромобиля или любого другого электрического транспортного средства. Электрогенерирующие дороги с фотогальваническим покрытием уже есть во Франции, Южной Корее, Швеции, Италии и Китая. Правда, их эксплуатация часто сопряжена с большими трудностями. Так, полотно первой в мире дороги, состоящей из солнечных панелей, в деревне Турувр-о-Перш (Франция) за три года эксплуатации сильно деградировало, появились трещины и отслоения. Реальность не оправдала ожиданий.

В декабре 2016 года в деревне Турувр-о-Перш торжественно открылся тестовый участок километровой фотогальванической дороги. Через три года полотно пришло в негодное состояние. Солнечные панели не выдержали износа от гусениц тракторов, осадков и перепада температуры. Кроме того, они изначально генерировали меньше электроэнергии, чем рассчитывали авторы проекта.

Автор: Денис Хитрых,  MBA, Директор по маркетингу, КАДФЕМ Си-Ай-Эс