Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

BARS.BY

Публикуем статью портала Движок.
Надеемся, что этот материал поможет нашим покупателям разобраться в аккумуляторных батареях.

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили


Если постараться вспомнить, в каких автомобилях серийно применяют литий-ионные аккумуляторы, то список окажется до обидного коротким. В нем будет McLaren MP4-12C и Porsche GT3/GT2, причем на последних спорткарах его использование опционально.

Конечно, такой тип аккумулятора применяется еще и на электромобилях и подзаряжаемых гибридах, но там емкость батареи не позволит применять менее энергоемкий тип накопителя, и к тому же свинцовая батарея часто присутствует для питания вспомогательных систем.

Как основной и единственный источник питания литиевые батареи более нигде не применяются.

В чем же причина? Просто еще не пришло время или эти технологии на самом деле — тупиковый путь?

Что такое литий-ионный аккумулятор? К таковым относят аккумуляторы, катод которых изготовлен из оксидов лития.

В большинстве случаев это кобальтат (LiCoO2) или никелат лития (LiNiO2), но получают распространение также аккумуляторы с катодом из феррофосфата лития (iFePO4) и литий-марганцевой шпинели (LiMn2O4).

Анод обычно сделан из графита или углеродных композиций, например графена. Электролит состоит из органических растворителей с солями лития

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

Чем так хороши литий-ионные аккумуляторы и какова плата за высокие характеристики? С момента появления в 1983 году успешной идеи использования кобальтита лития в качестве катода в аккумуляторе прошло немало времени, в течение которого технологию непрерывно совершенствовали. Число рабочих циклов увеличили примерно с 300 в первых моделях до 1500 и даже 7000 в новейших образцах. Удельную емкость — со 100 до 240+ Втч/кг, а стоимость снизилась почти на два порядка.

Основные преимущества технологии заключаются именно в очень высокой энергоемкости и скорости заряда/разряда. Дополнительным преимуществом являются небольшие значения саморазряда, высокая плотность энергии, небольшие габариты аккумуляторов и полное отсутствие обслуживания на протяжении жизненного цикла.

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

Минусов тоже более чем достаточно. Высокая зависимость характеристик и ресурса от температуры, быстрое падение характеристик при перегреве и глубоком разряде, высокие требования к соблюдению режима зарядки, опасность применения высокого тока разряда. Наличие «нормального» падения характеристик на 3–6% в год также к числу положительных качеств не отнести. А еще кобальт крайне опасен для человека и окружающей среды, так что «классические» литий-ионные аккумуляторы после выработки ресурса обязательно должны утилизироваться.

Значительное улучшение параметров принесла технология литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Очень важно, что в этом случае аккумулятор экологически безвреден, хотя утилизация все равно очень рекомендуется, но, как минимум, это не опасно. Возрастают токи заряда и разряда, а также число их циклов вплоть до фантастических 7000, аккумулятор лучше работает при отрицательных температурах. К тому же у такого аккумулятора за счет регулирования внутреннего сопротивления есть встроенная «защита от чрезмерного разряда» и он куда стабильнее держит напряжение в процессе работы. А еще рабочее напряжение в 3,2 В заметно удобнее для применения в цепях питания, рассчитанных на 12 В.

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

К сожалению, удельная емкость у этого типа аккумуляторов на 15–20% ниже, чем у «кобальтовых», так что там, где идет сражение за каждый грамм веса, их не применяют. Но по сравнению со свинцово-кислотными и никель-металлгидридными они все равно фантастически легкие и емкие.

Зачем нужен литий-ионный аккумулятор в машине, понятно: для снижения веса. Так, типичный аккумулятор в машине на 60 Ач весит порядка 16 кг, а на 90 Ач — уже 24 кг. Масса литий-ионного составила бы порядка 3–5 кг для моделей с той же емкостью и напряжением. А разница в 12–20 кг уже существенна. Во всяком случае, ради 5–10 кг производители модернизируют моторы, облегчая блоки цилиндров и коленчатые валы, применяя пластиковые картеры и алюминиевые болты. Так не проще ли заменить аккумулятор?

К сожалению, просто поставить на машину новую «батарейку» вместо старой не получится. Причин тому довольно много. Даже если аккумулятор достаточно хладоустойчивый и мощный для работы стартера и у вас хватает денег на его покупку, возникнет много дополнительных проблем.

Для начала нужно тщательно следить за током потребления мощных потребителей. Просто надеяться на высокое внутреннее сопротивление источника уже нельзя. Литий-ионный аккумулятор может банально загореться при повышении тока сверх лимита или превышении времени нагрузки. Значит, стартер должен иметь схему регулирования и все остальные достаточно мощные потребители, вроде лебедок и вентиляторов охлаждения, — тоже.

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

Во-вторых, зарядка аккумулятора из последовательно соединенных литий-ионных элементов потребует специального контроллера и обязательного применения балансировки заряда по каждому элементу. Иначе ресурс аккумулятора быстро упадет, а степень заряда не будет подниматься даже до двух третей максимума. Ресурс аккумулятора в условиях вибраций и сильного изменения температур зависит и от коррозии соединительных элементов, а для литий-ионного аккумулятора это достаточно рискованные точки.

Соединения катода и анода с проводниками остаются потенциально проблемными местами, особенно если токи большие. И наконец, вам придется поставить аккумулятор в утепленное, но прохладное место. С падением температуры сильно падает и емкость аккумуляторов с гелевым электролитом. Правда, если электролит твердый, а материал катода морозостойкий, то все не так страшно, машина заведется.

Но вот повышение температур выше 60 градусов, скорее всего, сильно понизит ресурс и характеристики аккумулятора. Проблема в твердом электролитном интерфейсе (ТЭИ) на графитовом аноде — слое, который образуется при реакции электролита и графита электрода. Для этой операции поглощается часть лития из электролита (и катода, разумеется). В нормальных условиях работы аккумулятора слой ТЭИ сохраняется, защищая анод от агрессивного электролита. Но при повышении температуры или глубоком разряде аккумулятора слой разрушается, загрязняя электролит продуктами разложения. При восстановлении рабочей температуры или напряжения слой снова восстановится, но часть лития и графита пойдет на его построение. Сделать же слой ТЭИ слишком толстым — тоже плохая идея: это создает барьер на пути электронов и уменьшает мощность аккумулятора.

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобилиЛитий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

Каков итог?

Не в последнюю очередь покупателя будет волновать цена аккумулятора. Даже самые недорогие по технологии батареи (LiFePO4), очень относительно приспособленные к работе в автомобиле, обойдутся по 500 рублей за 1 Ач при напряжении 3,2 В. Переводя это в привычные автомобилистам величины, получим 2000 рублей за 1 Ач при напряжении 12 В. Таким образом, 60-амперный аккумулятор будет стоить порядка 120 тыс. рублей (!). И это только за элементы питания, без зарядного устройства и дополнительной проводки.

Еще одним минусом литий-ионного аккумулятора является его взрывоопасность. Разгерметизация, короткое замыкание или другие неприятности грозят не просто пожаром, а взрывом. Машины, взрывающиеся при малейшем столкновении, вряд ли кому-то интересны. А защитить аккумулятор от такого исхода очень сложно.

Получается, что даже если не обращать внимания на цену, то минусов не много, а очень много. Придется серьезно переделывать электросистему машины, вводить новый контроллер заряда батареи, ограничивать рабочие токи стартера, заняться поддержанием нужной температуры для аккумулятора и обеспечить намного более безопасные условия его размещения.

Так что всеми привычные компактные литий-ионные аккумуляторы, которые используются в любом мобильном гаджете, для установки на автомобиль пока просто не приспособлены.

Борис Игнашин