 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektrotechnika Akumulator - ekologiczna alternatywa źródła energii dla napędu w systemie transportu |
|
W związku z nowymi przepisami unijnymi, zmierzającymi do ograniczenia do roku 2015 przez pojazdy emisji C02 do 130 g/km, wszystko wskazuje na to, że branża motoryzacyjna otwiera nowy rozdział w swojej historii. Producenci samochodów opracowują alternatywne środki napędu elektrycznego oraz innowacyjne rozwiązania, mające zmniejszyć zużycie paliwa.
Pojazdy mechaniczne z napędem elektrycznym i pojazdy z napędem hybrydowym są idealne do wykorzystania w systemie transportu miejskiego. Samochody osobowe, ciężarowe, autobusy elektryczne, samochody do specjalnych zastosowań, np. śmieciarki, pługi śnieżne mogą przyczynić się do rozwiązania wielu problemów cywilizacyjnych i ekologicznych poprzez zmniejszenie zużycia paliwa i jednoczesne zmniejszenie emisji gazów, a także znaczące obniżenie poziomu hałasu w aglomeracjach [1].
Na świecie od kilku lat konsekwentnie zwiększa się asortyment pojazdów z napędem hybrydowym oraz elektrycznych. Prace nad udoskonalaniem tych ekologicznych środków transportu wciąż trwają a prezentowane w mediach i na wystawach osiągnięcia koncernów samochodowych zachwycają potencjalnych odbiorców wyglądem i coraz lepszymi parametrami, osiągami, a odstraszają konsumentów niestety - ceną. Barierą przyczyniającą się do tak powolnego pojawiania się na drogach samochodów elektrycznych jest sposób magazynowania energii. Producenci samochodów małymi krokami zmierzają ku masowej produkcji pojazdów z napędem elektrycznym. Rozpocznie się ona wtedy, gdy baterie będą: małe, bezpieczne, niezawodne i wystarczająco tanie, by można było je wykorzystać jako źródło energii dla napędu i by jednocześnie nie powodowały znacznego zawyżenia ceny końcowej produktu. Pomimo tego, że w ciągu prawie 200 lat dziesiątki wynalazców i inżynierów próbowały opracować idealny pojazd elektryczny, problem odpowiedniego źródła zasilania niezmiennie stanowił przeszkodę nawet dla najlepszych spośród nich. Już Henry Ford i Thomas Edison, którzy próbowali zbudować pojazd elektryczny w latach dwudziestych ubiegłego wieku nie potrafili rozwiązać zagadek chemizmu źródeł prądu i w rezultacie zbudowania odpowiedniej baterii dla pojazdu elektrycznego [2]. Cały czas trwa wyścig producentów zmierzających do opracowania zwycięskiego modelu pojazdu elektrycznego, którego sukces przede wszystkim będzie zależał od mocy (wyrażonej w Wh/kg) zasilającego go akumulatora.
Eksploatacja pojazdów elektrycznych nie stanowi zagrożenia dla środowiska naturalnego, ponieważ w trakcie użytkowania pojazdu nie wydzielają się żadne szkodliwe produkty. Zaletą tego typu pojazdów jest również możliwość odzyskiwania znacznej części energii kinetycznej podczas zwalniania i hamowania (typowego np. dla transportu miejskiego). Połączenie tych zalet ze znacznie wyższą sprawnością silników elektrycznych w porównaniu ze spalinowymi dowodzi, że pojazd elektryczny jest oszczędny i proekologiczny pod względem zużycia energii i zanieczyszczenia środowiska, a przy zastosowaniu akumulatora o zadowalających parametrach i niskiej cenie produkcji może stać się bardzo powszechnym środkiem transportu.
Rodzaje akumulatorów i ich możliwości energetyczne jako źródeł zasilania pojazdów
Akumulatory stosowane w pojazdach elektrycznych (EV - electric vehicles) i hybrydowych (HEV - hybrid electric vehicles) ze względu na zastosowany układ elektrochemiczny można podzielić na: akumulatory kwasowo-ołowiowe (Pb-Pb02), niklowo-kadmowe (Ni-Cd), niklowo-wodorkowe (Ni-MH), litowo-jonowe (Li-ion), litowo-polimerowe (Li-poly), cynkowo-powietrzne (Zn-02), cynkowo-bromowe (Zn-Br2), wysokotemperaturowe (Na-S, Na-NiCl2), sodowe (Na-NiCl2) oraz kondensatory elektrochemiczne [3-6].
Najtańszym źródłem energii jest akumulator ołowiowo-kwasowy. Przy prędkości 50 km/h może zapewnić co najmniej 70 km przebiegu między ładowaniami, co umożliwia wykorzystanie tego typu akumulatora w miejskich pojazdach elektrycznych. Zamknięte akumulatory kwasowe, tzw. bezobsługowe - są tanie, gdyż wytwarza się je na wielką skalę (ich cena jest stosunkowo niska, a ponadto poddawane są utylizacji). Dlatego też z powodzeniem od kilku lat wykorzystuje się je do napędu pocztowych i niskotonażowych ciężarowych pojazdów elektrycznych w wielu krajach. Stosowanie ich jest jednak ograniczone na skutek charakterystycznej dla tego typu akumulatora niskiej energii właściwej, wysokiego stopnia samowyładowywania się akumulatora oraz długiego czasu ładowania.
Dostępne na rynku akumulatory niklowo-kadmowe mogą przy prędkości pojazdu do 70 km/h zapewnić przebieg ok. 100 km. Charakteryzują się wysoką trwałością cykliczną i pracują w szerokim zakresie temperatur, jednak ze względu na wysoki koszt produkcji i toksyczność kadmu ich zastosowanie jest bardzo ograniczone.
Znacznie wyższą niż akumulatory niklowo-kadmowe energią właściwą charakteryzują się akumulatory niklowo-wodorkowe. Pizy prędkości ok. 60 km/h mogą zapewnić przebieg ok. 140 km. Tego typu akumulatory od kilku lat z powodzeniem stosowane są w pojazdach hybrydowych produkowanych przez znane firmy (np. Toyota Prius z koncernu Toyota). Jednym z głównych powodów niewielkiego wykorzystania akumulatorów Ni-MH jest wysoki koszt ich produkcji.
W przypadku akumulatorów Zn-Br2 energia układów elektrochemicznych jest nieco niższa niż w akumulatorach Ni-MH, jednak produkcja tego typu akumulatora jest znacznie tańsza. Austriacka firma SEA wyprodukowała wyposażone w akumulatory Zn-Br2 samochody elektryczne dla celów sportowych oraz dostarczania przesyłek pocztowych. Ich przebieg bez doładowywania na postojach wyniósł średnio ok 150 km. Nie zostały one jednak wykorzystane w szerszym zakresie ze względu na wysoką, toksyczność bromu, wysoki poziom samowyładowywania i nieduże wartości objętościowej mocy i energii właściwej.
Znane są również próby zastosowania do zasilania pojazdów elektrycznych akumulatorów wysokotemperaturowych. Ograniczeniami ich wykorzystania do napędu pojazdów są: konieczność wstępnego ogrzania do 300°C, obecność w ogniwie sodu - bardzo aktywnego metalu, który stwarza zagrożenie wybuchu czy też pożaru w trakcie użytkowania oraz stosunkowo wysoka cena produkcji tego typu akumulatorów.
Spośród produkowanych obecnie odnawialnych źródeł prądu najwyższymi wartościami energii właściwej, która pozwala na osiągnięcie przebiegu powyżej 200 km, charakteryzują się akumulatory litowo-jonowe. Wiele firm wytwarza obecnie pojazdy elektryczne z akumulatorami litowo-jonowymi czy też litowo-polimerowymi (poprawniejszą nazwą byłoby litowo-żelowymi ze względu na rodzaj elektrolitu wykorzystywany w tych ogniwach), lecz nadal na ograniczoną skalę. Wadą tych baterii jest wysoka cena ich produkcji i niskie bezpieczeństwo użytkowania w momencie np. przeładowania układu magazynującego energię. Porównywalne wartości energii właściwej w stosunku do akumulatorów litowo-jonowych wykazują ogniwa cynk-powietrze.
Coraz więcej słyszy się o próbach wykorzystania kondensatorów zwanych superkondensatorami do magazynowania i konwersji energii w przemyśle motoryzacyjnym. Wykorzystanie kondensatorów elektrochemicznych, zdolnych do ładowania się w krótkim czasie, np. podczas postoju autobusu elektrycznego na przystanku, wydaje się rozwiązaniem przyszłościowym, szczególnie przy jednoczesnym zastosowaniu akumulatora litowo-polimerowego [7].
Choć obecnie za najodpowiedniejsze do wykorzystania w systemie zasilającym pojazdy elektryczne uważa się baterie litowo-jono- we, nie zaniechano prac nad nowymi źródłami zasilania. Cały czas trwają prace nad modyfikacją znanych dotychczas rozwiązań oraz poszukiwane są nowe układy elektrochemiczne zdolne do magazynowania i konwersji energii - przykładem są m.in. ogniwa sodowe Na-NiCl2 pozwalające wg szacunkowych danych na poruszanie się pojazdu z napędem elektrycznym w zasięgu ok. 160 km.
Ogniwa sodowe cały czas są intensywnie badane i modyfikowane w kierunku zwiększenia ich energii właściwej. Obecna generacja baterii litowo-jonowych ma energię właściwą w przedziale 60-160 Wh/kg. Wielkością docelową w aktualnych pracach nad baterią sodową jest energia ok. 300 Wh/kg. Przewagą ogniwa sodowego nad akumulatorem litowo-jonowym jest fakt, że nie stosuje się do jego produkcji składników łatwopalnych. Ponadto ogniwo sodowe charakteryzuje się wysoką tolerancją względem ewentualnego przeładowania baterii. Ewentualne zwarcia w ogniwach sodowych nie powodują także przerw w działaniu pakietu. Nie ma utajonych ścieżek zwarciowych ani skomplikowanej elektroniki, a bateria ma solidną konstrukcję ceramiczną. Wymienione cechy akumulatorów sodowych bez wątpienia świadczą o tym, że ogniwa te mają ogromną szansę na to, by za kilka lat zaistnieć na rynku i stać się bezpośrednią konkurencją dla akumulatorów litowo-polimerowych [4-6].
Po upływie 100 lat intensywnych prac badawczych polegających na charakterystyce dziesiątków systemów chemicznych, przemysł samochodowy doszedł do wniosku, że baterie litowo-jonowe są na dziś najbliżej spełnienia wszystkich wyzwań stawianych pojazdom z napędem elektrycznym. Ich wymiary, stosunek ciężaru do mocy, duża wydajność amperogodzinowa, trwałość eksploatacyjna i znaczna niezawodność, nawet w bardzo niskich temperaturach, przekładają się bezpośrednio na zwiększenie wydajności pojazdu i jednocześnie umożliwiają zwiększenie przestrzeni wewnętrznej pojazdu dla pasażerów oraz ładunku. Przy wszystkich swoich zaletach akumulatory litowo-jonowe pozostają niezmiennie kłopotliwe w praktycznym zastosowaniu jako źródła energii dla napędu w pojeździe. Jedno niesprawne ogniwo może zapoczątkować reakcję egzotermiczną, która podniesie temperaturę do setek stopni Celsjusza. W czasie kilku sekund może nastąpić nagły wzrost temperatury sąsiadujących ze sobą ogniw, co w konsekwencji doprowadzić może do niekontrolowanej reakcji, która zakończy się gwałtowną reakcją termiczną w postaci pożaru lub wybuchu. Tego rodzaju defekty ogniw zdarzają się bardzo rzadko, niemniej jednak ryzyko pozostaje wysokie.
Największym wyzwaniem względem wszystkich systemów litowych jest znalezienie optymalnej współzależności pomiędzy anodami i katodami, gdyż dobór materiałów elektrodowych wpływa w istotny sposób na napięcie baterii, jej pojemność, trwałość oraz bezpieczeństwo użytkowania. Nie tylko materiały anodowe i katodowe muszą odpowiednio współpracować ze sobą także elektrolity przewodzące jony i membranowe separatory muszą podlegać modyfikacjom w kierunku poprawy swoich parametrów fizyko- i elektrochemicznych. Problemy związane z każdym z tych materiałów mogą zaszkodzić pracy baterii, uniemożliwić jej ponowne naładowanie, mogą również źle wpływać na bezpieczeństwo jej użytkowania. Materiałem anodowym w akumulatorach litowo-jonowych jest na ogół grafit, natomiast katoda wykonana jest z jednego sfpośród trzech materiałów: tlenku o strukturze warstwowej (np. tlenek kobaltu), polianionu (takiego jak fosforan litowo-żelazowy) albo materiału o strukturze spinelu, (np. spinelu manganowego). Dobór materiału katodowego wpływa bezpośrednio na prędkość, z jaką katoda może ulegać interkalacji, deinterkalacji jonami litu i w rezultacie decyduje o mocy ogniwa.
Jednym z prostszych w wytwarzaniu i charakteryzującym się niskimi kosztami produkcji materiałem elektrodowym jest materiał katodowy o składzie: nikiel-kobalt-mangan. Częściowe zastąpienie niklu i manganu kobaltem zwiększa potencjał elektryczny materiału jedynie w niewielkim stopniu, jednak wystarczającym by zbudować ogniwo ukierunkowane na oddawanie mocy większej gęstości (determinującej wielkość przyspieszenia pojazdu) lub energii (wyznaczającej zasięg możliwego do przebycia dystansu), niestety - nie obu parametrów jednocześnie. Materiał ten wykazuje jednak bardzo niepokojącą wrażliwość na zmiany termiczne, podczas których można zaobserwować stosunkowo gwałtowne i niekontrolowane zachowanie. Podobne cechy do materiału katodowego nikiel-kobalt-mangan wykazuje materiał katodowy nikiel-kobalt-glin, gdzie stosunkowo droższy mangan zastąpiony zostaje znacznie tańszym aluminium. Wykorzystanie w ogniwie spinelu manganowego powoduje większą moc ogniwa i jednocześnie niższy koszt wytwarzania materiału katodowego w porównaniu ze stosowanym powszechnie spinelem kobaltowym. Zastosowanie kobaltowej katody w ogniwie daje korzyści w postaci wyższego napięcia układu w stosunku do spinelu manganowego czy też katody niklowej, lecz sam kobalt jest pierwiastkiem drogim, niekorzystnie wpływającym na koszty produkcji akumulatorów. Trójwymiarowa struktura krystaliczna spinelu manganowego czy kobaltowego, znacznie zwiększa obszar powierzchni danego materiału, a to pozwala na zwiększenie ilości transportowanych jonów litu pomiędzy elektrodami. Mangan jest pierwiastkiem znacznie tańszym od kobaltu, ma jednak jedną znaczącą wadę - ulega powolnemu rozpuszczaniu w środowisku ciekłych elektrolitów, co znacznie skraca trwałość tego typu akumulatora.
Fosforan litu i żelaza (II) (LiFeP04) po raz pierwszy został zsyntezowany chemicznie i wykorzystany jako materiał elektrodowy w akumulatorze litowym przez grupę naukowców z Uniwersytetu w Teksasie w 1996 r. Ze względu na niski koszt produkcji materiału, min. dzięki łatwemu dostępowi do złóż żelaza, braku toksyczności składników, doskonałej stabilności termicznej związku i dużej wydajności elektrochemicznej fosforan litu i żelaza stał się popularnym materiałem elektrodowym. Pomimo tak wielu zalet niestety nie jest on materiałem idealnym. Kluczową barierą komercjalizacji tego oliwinu jest jego niska przewodność elektryczna. Ten problem udaje się rozwiązać w pewnym stopniu w wyniku zmniejszenia rozmiaru cząstek w czasie syntezy związku, powlekania cząstek LiFeP04 materiałami przewodzącymi takimi jak np. węgiel oraz poprzez domieszkowanie katody (dodawanie kationów metali takich jak aluminium, mangan).
Bardzo obiecującym materiałem katodowym z powodu niskich kosztów wytwarzania, stabilności i bezpieczeństwa stosowania w ogniwach litowych jest fosforan-żelazowo-manganowy. Wiązania między atomami żelaza, fosforanu i tlenu są znacznie silniejsze niż w przypadku wiązań między atomami kobaltu i tlenu. W przypadku przeładowania akumulatora tlen zostaje uwolniony z większą trudnością, co znacznie redukuje niebezpieczeństwo przegrzania w momencie awarii [4,8].
Obecnie coraz bardziej popularnymi akumulatorami litowo-jonowymi są akumulatory litowo-polimerowe, w których ciekły elektrolit organiczny zastąpiony zostaje stałym - a w zasadzie żelowym elektrolitem polimerowym. Korzyściami wynikającymi z wyeliminowania ciekłych elektrolitów na rzecz elektrolitów polimerowych są: redukcja rozmiarów akumulatora (zwłaszcza grubości), zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania, zwiększenie gęstości energetycznej przy zmniejszonych gabarytach i ciężarze akumulatora, co jest bardzo ważne, szczególnie przy zastosowaniu tego typu źródeł energii w sprzęcie elektronicznym czy też np. samochodach z napędem elektrycznym. Od roku 2000 spora liczba producentów (m.in. Panasonic, Sony, Hitachi-Maxell, Dow Kokam) uruchomiła linie produkcyjne akumulatorów litowo-polimerowych. Przełomem w badaniach nad litowo-polimerowym akumulatorem było opracowanie nowej klasy elektrolitów polimerowych, zwanej elektrolitami żelowymi. Tego typu elektrolity powstają poprzez uwięzienie klasycznego ciekłego elektrolitu organicznego (np. elektrolitu stosowanego do produkcji baterii litowo-jonowych, składającego się z soli litu, np. LiPF6 i mieszaniny ciekłych rozpuszczalników organicznych, takich jak DMC:EC) w matrycy polimerowej. Tego typu układ wykazuje cechy stabilnego żelu łączącego w sobie cechy tradycyjnych ciekłych elektrolitów z bezpieczeństwem i zaletami ekologicznymi.
Elektrolity polimerowe w porównaniu z ich ciekłymi odpowiednikami mają wiele zalet: nie powodują wewnętrznych zwarć, nie wyciekają, a produkty reakcji na powierzchni katody w momencie jej kontaktu z elektrolitem są niepalne.
Do dziś nie wytworzono stałego, tzw. suchego elektrolitu polimerowego o wysokiej odporności mechanicznej, kluczowej w momencie wykorzystania go w ogniwie, gdzie musi być odporny na wzrosty ciśnienia wewnętrznego podczas pracy baterii, który jednocześnie charakteryzowałby się tak wysokim przewodnictwem jonowym, zarówno w pokojowej jak i niskiej temperaturze otoczenia, jak ciekłe elektrolity. Elektrolit polimerowy powinien także umożliwić zwiększenie żywotności, cykliczności akumulatora, szczególnie w niskich temperaturach. W wielu ośrodkach naukowych na świecie prowadzi się liczne badania dotyczące stałych elektrolitów polimerowych, zarówno suchych jak i żelowych, które obejmują mieszanie polimerów, kopolimeryzację, dodawanie nieorganicznych wypełniaczy w celu zmodyfikowania matrycy polimerowej-gospodarza i osiągnięcia wyższych wartości przewodnictw jonowych tych elektrolitów. Jednak cały czas główną przeszkodą w praktycznym wykorzystaniu stałych elektrolitów jest ich niska wartość przewodnictwa jonowego [8].
Podsumowanie
Stała dynamika rozwoju technologii wytwarzania akumulatorów napawa nadzieją, że jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek wcześniej wyprodukowania pojazdu elektrycznego charakteryzującego się przystępną ceną, dzięki wykorzystaniu w nim akumulatora o zadowalających parametrach takich jak energia i moc właściwa, pozwalających na przejechanie długiego dystansu z przyzwoitą prędkością i niskich kosztach produkcji.
Przez ostatnie 100 lat bateria rozruchowa była traktowana jako pasywny składnik systemu elektrycznego pojazdu. Producenci akumulatorów podejmowali każde wyzwanie rzucane im przez przemysł samochodowy, dając wymagane ulepszenia konstrukcyjne, po czym oczekiwali na następne, by móc posunąć się do przodu. Dzisiaj jednak wciąż narastające wymagania przemysłu samochodowego powodują że producenci akumulatorów są wprowadzani w każdy konstrukcyjny aspekt układu elektrycznego pojazdu, jak również w systemy sterowania i przewidywanie osiągów.
Zanim pojazdy elektryczne staną się realnym, osiągalnym marzeniem dla przeciętnego konsumenta, musi zostać rozwiązanych kilka istotnych problemów w akumulatorach jako źródłach ich zasilania. Najważniejszymi wśród nich są: minimalizacja kosztów, zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania oraz energii i mocy właściwej akumulatora. Badania prowadzone przez naukowców i laboratoria korporacyjne na całym świecie zbliżająnas do chwili, w której otrzymamy w pełni wydajny pojazd zasilany w pełni energią elektryczną z bezpiecznego, wydajnego i niskokosztowego źródła zasilania.
Praca powstała w ramach działań badawczych 2012-2013 finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
LITERATURA:
[1] Polakowski K: Samochody elektryczne pojazdami najbliższej przyszłości? Prace Instytutu Elektrotechniki 2011 z. 252
[2] Rudnicki T.: Pojazdy z silnikami elektrycznymi. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne 2008 nr 80
[3] Greene L.: What car? What battery? Batteries and Energy Storage Technology (BEST) 2008 No 20
[4] Linden D., Reddy T.B.: Handbook of Batteries 2002
[5] Czerwiński A.: Współczesne źródła energii. Warszawa 2001
[6] Czerwiński A.: Akumulatory, Baterie, Ogniwa. WKŁ, Warszawa 2005
[7] Kopczyk M.: Rozwój akumulatorów w pojazdach transportu miejskiego - znaczenie dla środowiska. Ogólnopolska Konferencja Szkoleniowa „Transport miejski m. a ochrona środowiska” 2008
[8] Yang M., Hou J.: Membranes in Lithium łon Batteries. Membranes 2012 No 2
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
