Электромобиль: какая судьба уготована воздушно-металлическим аккумуляторам

27.08.09 | Рубрика: Аккумуляторный рынок, Цинковые источники тока. Просмотры: 2 358

Слабым местом электромобиля остается аккумуляторная батарея. Инженеры упорно работают над ее совершенствованием, однако дело продвигается туго. В том, что у электродвигателя коэффициент полезного действия гораздо выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, нет никаких сомнений. И, тем не менее, массового перехода человечества на электромобили сегодня не наблюдается.

А все дело в аккумуляторах. Их технические характеристики пока совершенно не отвечают требованиям эффективной и безопасной эксплуатации, пишет Deutsche Welle.

«Теперь все вдруг заговорили о том, что электрификация автотранспорта прямо-таки спасет мир, — усмехается Маркус Фах (Markus Fach), сотрудник автоконцерна Daimler. — Но мне пока в это верится с трудом. Если вы отправились на электромобиле в отпуск, а три часа спустя остановились и вынуждены ждать десять часов, пока подзарядится аккумуляторная батарея, чтобы вы могли проехать еще три часа, то я как-то плохо понимаю, как это все должно функционировать».

Поэтому сегодня главная задача инженеров-автомобилестроителей состоит в разработке более эффективных аккумуляторов. Одно из направлений — это так называемые воздушно-металлические источники тока. «Технология воздушно-металлических батарей нас особенно привлекает тем, что позволяет добиться очень высоких значений плотности энергии», — говорит Йенс Тюбке (Jens T?bke), научный сотрудник Института химических технологий имени Фраунгофера в Пфинцтале близ Карлсруэ, ведущий эксперт в области аккумуляторов.

Нынешние фавориты автомобилестроителей — литий-ионные аккумуляторы — способны, как считается, накапливать до 200 ватт-часов электроэнергии в расчете на килограмм собственной массы. «Емкость воздушно-металлических аккумуляторов в 7 раз выше, — говорит Вольфганг Штайгер (Wolfgang Steiger), руководитель отдела разработки приводов автоконцерна Volkswagen, — потому что они способны обеспечить плотность энергии в 1 500 ватт-часов на килограмм массы. Это означает, что с одним 100-килограммовым аккумулятором мы могли бы проехать без подзарядки примерно 500 километров». Иными словами, с точки зрения эксплуатационных показателей такой электромобиль уже почти ничем не отличался бы от нынешних машин среднего класса с бензиновым или дизельным приводом — ни запасом хода, ни грузоподъёмностью, ни вместимостью.

Между тем, сама по себе идея такого аккумулятора отнюдь не нова: воздушно-цинковые батареи известны с 40-х годов прошлого века. Правда, сегодняшние инженеры делают ставку уже не на цинк, а на другой металл — литий. Принцип вроде бы прост: если в традиционных батареях имеется два полюса, то в таких воздушно-металлических аккумуляторах конструкторы обходятся одним. Они прорезают в корпусе батареи отверстие, обеспечивающее доступ наружному воздуху, и затягивают его мембраной. «В принципе это функционирует так, — поясняет Йенс Тюбке, — внутри аккумулятора литий окисляется, а кислород для этой реакции засасывается сквозь мембрану снаружи».

Принципом действия такая батарея во многом напоминает топливный элемент, только там окисляется водород, а тут — литий. Однако при реализации обратного процесса, то есть при зарядке аккумулятора, начинаются сложности. Реакция восстановления лития из окислов приводит к неудовлетворительному результату, — говорит Йенс Тюбке. Металлический литий получается уже не таким плотным и компактным, каким он был, когда его закладывали в батарею, а очень рыхлым и пористым, словно губка, объясняет ученый: «Площадь поверхности увеличивается, соответственно растет и реакционная способность, а поскольку литий химически крайне активен, то начинаются нежелательные побочные реакции, в том числе и очень опасные, способные привести к полному выходу аккумулятора из строя».

Из-за этих проблем с зарядкой сорвались и полевые испытания электромобилей с воздушно-металлическими батареями в Бремерхафене: техникам приходилось то и дело снимать и разбирать аккумуляторы, чтобы установить в них новые литиевые электроды. Понятно, что такие чуть ли не одноразовые батареи для практического применения в электромобилях непригодны.

Сегодня инженеры экспериментируют со специальной мембраной, покрывающей литиевые электроды и призванной обеспечить при зарядке высокую плотность и компактность восстановленного из окислов металлического лития. «Но пока они продвинулись не очень далеко, — говорит Йенс Тюбке. — Лучшее, что сегодня можно увидеть в лабораториях, использующих порой очень хитроумные, сложные и дорогие системы, — это батареи, выдерживающие несколько сотен циклов зарядки/разрядки. 200-300 циклов — это пока максимум. А уж кислородно-цинковые системы и вовсе едва перешагнули рубеж в 50 циклов».

Но инженеры не теряют надежду. «В рамках наших работ по созданию мембраны для топливного элемента мы накопили знания и опыт, которые позволили нам в кратчайшее время предложить новую токопроводящую мембрану для таких аккумуляторов», — говорит Вольфганг Штайгер. Однако он признает, что речь пока идет о сугубо фундаментальных исследованиях, и не берется предсказывать, когда первый автомобильный воздушно-металлический аккумулятор появится на рынке. Примерно так же оценивает перспективы и Йенс Тюбке: «Я надеюсь, что еще до выхода на пенсию смогу испытать первые образцы, — говорит отнюдь не старый электрохимик. — Полагаю, что к 2015 году лаборатори представит надежно функционирующий прототип, с которым можно будет экспериментировать. Но о поточном производстве таких изделий пока даже думать рано».