Хранилища энергии в машинах Формулы 1
История литиевых аккумуляторов началась недавно, они появились благодаря совместной работе людей из США, Великобритании и Японии. В 2019 году Стэнли Уиттингэму, Джону Гуденафу и Акире Йошино была вручена Нобелевская премия.
Перед тем, как говорить о разных типах аккумуляторов, стоит посмотреть на то, как они вообще работают и почему их несколько видов. Аккумулятор состоит из анода – электрода отрицательного заряда, и катода – электрода положительного заряда. Между ними находится электролит, который обычно имеет жидкую форму. Во время зарядки позитивно заряженные ионы перетекают через электролит от катода к аноду. Там они накапливаются, а когда накопление не может происходить дальше, аккумулятор считается заряженным. Отрицательно заряженные ионы перетекают в обратном направлении по цепи зарядки. При разрядке происходит обратный процесс через устройство, нуждающееся в энергии. Когда все ионы через электролит возвращаются к катоду, аккумулятор считается разряженным.
В свинцово-кислотном аккумуляторе катод сделан из диоксида свинца, а анод из металлического свинца. Электролит представляет собой серную кислоту. В литий-ионном аккумуляторе анод, как правило, сделан из графита, электролит – это литиевая соль, а вот катоды в разных аккумуляторах могут быть сделаны из разных материалов. Самые часто встречающиеся катоды: литий-железо-фосфатный (ЛЖФ) и никель-марганец-кобальт-оксидный (НМКО). Есть и другие, они набирают популярность, так как технологии непрерывно развиваются.
Из двух электродов анод по большей части отвечает за количество циклов перезарядки, а катод – за время работы от одного заряда, но именно он во многом влияет на стоимость. Таким образом, именно катод был предметом исследований, и из-за этого он или ЛЖФ, или НМКО. Цены на литий в последние пару лет значительно выросли, но переживаний о его доступных объемах для добычи нет. Так что ЛЖФ аккумуляторы все еще дешевле, чем НМКО, и их можно найти в более дешевых электромобилях MG, Hyundai и базовых комплектациях Tesla.
В НМКО аккумуляторах используется кобальт, это стратегически важный материал, половина его запасов находится в Демократической Республике Конго (ДРК), где 20% извлекается в кустарных шахтах с нарушением прав человека и ужасными стандартами безопасности. Большая часть обработки происходит в Китае, а это почти половина мирового производства. Катоды НМКО значительно дороже ЛЖФ, такой катод составляет 62% стоимости всей аккумуляторной ячейки, но в итоге производительность такого аккумулятора лучше. Поэтому пропорции составляющих материалов варьируются. Ячейка НМКО 532 содержит 50% никеля, 30% марганца и 20% кобальта. Сейчас более популярно использование ячейки НМКО 811, у которой 80% никеля и только 10% марганца и кобальта. Некоторые компании, как Volkswagen, пробуют образцы с высоким содержанием марганца, они считают, что это даст производительность ячейки НМКО 532 по цене ЛЖФ аккумулятора.
Экспериментируют не только с катодами, но и с анодами тоже. Например, предлагается добавлять к графиту кремний. Также идут исследования с другими химическими соединениями, например, с ионами натрия. Натрия много, и он начинает соревноваться с ЛЖФ.
Это все химия, а из чего состоит батарея? В первую очередь это аккумуляторная ячейка. Часто она имеет цилиндрическую форму и чем-то напоминает обычную батарейку АА, только большую. Некоторые производители используют форму, напоминающую конверт – такие имеют наибольшую мощность и плотность хранения. Еще одна форма – треугольные блоки, но в автомобилях их не используют.
Какой бы ни была форма, ячейки соединяют в группу (модуль), а уже модули соединяют вместе в то, что мы называем батареей. У Tesla Model S 16 модулей, в каждом по 444 ячейки. Батарея содержит 7104 ячейки, что дает емкость 90 киловатт-часов (кВч). В разных батареях разный тип подключения будет диктовать напряжение и емкость.
Есть еще важные части, формирующие батарею. Первая – это охлаждающая система, которая позволяет работать батарее при оптимальных температурах. В дорожных машинах это обычно смесь гликоля и воды, но для высокопроизводительных батарей могут использовать диэлектрическое масло для снижения веса в том числе. Батарея, которая перегревается, не только неэффективна, но и может вызвать пожар. Вторая – это система управления. Это сложная электроника и ПО, которое собирает данные с каждой ячейки и делает так, чтобы они были сбалансированы по напряжению, уровню заряда и температуре. Также эта система следит за безопасностью. Программа затем передаст данные о состоянии заряда и показателях батареи системе распределения энергии, которая определяет пути тока в ней.
В основном ваша литий-ионная батарея в смартфоне похожа на ту, что стоит в машине Ф1, но последняя является примером сложной системы хранения и использования подобной энергии.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за июнь 2023.
Фото: MotorSportImages.com
Этот блог в соцсетях:
