Prof. Ion Constantinescu – Liceul Tehnologic Voinești
Primul automobil electric a fost construit de către omul de afaceri scoţian Robert Anderson în 1832, dar variante cu un mai mare succes la public au fost construite de americanul Thomas Devenport şi scoţianul Robert Davidson în anul 1842.
Din păcate, toate aceste vehicule utilizau baterii, practic elemente care se descărcau rapid, iar înlocuirea lor era incomodă şi costisitoare. Gaston Planté a inventat acumulatorul cu plumb în 1865, model îmbunătăţit în 1881 cu avantaje majore în creșterea perioadei de stocare a energiei și posibilitatea reîncărcării acumulatorului.
Automobilul electric modern se lansează de către compania General Motors între anii 1996–1999 , numit EV1, dar acesta a fost retras la presiunea companiilor petroliere. Anul 2008 reprezintă începutul erei autovehicului de serie în totalitate cu alimentare electrică. Este anul în care s-au lansat pe piață diverse concepte de acumulatori cu un randament relativ ridicat şi un preţ accesibil.
Un autoturism electric de clasă medie necesită pentru o autonomie de 300 km o sursă de energie cu densitatea de putere 150-170 W/kg. Componenta cea mai importantă în construcția și funcționarea automobilului electric este acumulatorul sau bateria de acumulatoare, practic sursa chimică reversibilă de producere a energiei electrice în scopul asigurării tensiunii electrice necesare motorului electric al automobilului.
În construcția automobilelor electrice la nivel mondial se utilizează sau sunt în faza de cercetare tipuri de acumulatori pe bază de : plumb și acid sulfuric, nichel, litiu-ion( Lt-Ion), aer-metal și clorura nichel de sodiu.
De asemenea, o varianta care impune interes deosebit în ultima perioada este cea a utilizării super-condesatorilor.
- Acumulatorul cu Pb și acid sulfuric
Este format din grătare din Pb aliate cu antimoniu și Ca sub forma de plăci pozitive-dioxid de plumb și negative-pulbere de plumb, toate imersate în electrolit(acid sulfuric și apă distilată). Teh-nologia VRLA(Valve Regulated Lead Acid) elimină mentenanța, asigură o încărcarea rapidă și o putere specifică de 250W/Kg pentru 800 cicluri încărcare/descărcare. Dezavantaje: greutate mare, necesitatea încărcării la capacitatea maximă pentru a evita suflatarea și durata de viața/funcționare relativ mică.
- Acumulatorii cu nichel
Există patru tipuri de acumulatori care folosesc nichel în electrodul pozitiv, astfel: nichel-fier (Ni-Fe), nichel-zinc(Ni-Zn), nichel-cadmiu (Ni-Ca) și nichel-metal hidrură (Ni-MH). Acumulatorii Ni-Zn și Ni-Fe nu sunt o opțiune pentru automobilul electric din cauza ciclului scurt de viață și puterea specifică redusă. Acumulatorul Ni-Ca are o tehnologie avansată și cu secificații similare, comparativ cu Ni-MH, iar avantajul acumulatorului Ni-MH este relevant prin faptul ca nu foloseşte cadmiu și prin urmare, se protejează mediului. Un tip de acumulator considerat a fi o opţiune bună pentru un automobil electric este cel cu nichel – metal hidrură, acumulator care foloseşte hidrogen la electrodul pozitiv. Acumulatorii NI-MH s-au dezvoltat rapid începând cu 1991 și sunt folosiţi pe vehicule hibride precum Honda Civic si Toyota Prius datorită puterii specifice importante. Astfel puterea a crescut de la 200 W / kg la începutul anilor 1990 la 2000 W / kg în prezent, și la 3000 de cicluri de încărcare descărcare. Prețul unui pachet Ni-MH este în jurul valorii de 450 € / kW, un preț dependent de valoarea nichelului de pe piață.
- Acumulatori Li-Ion
Acumulatorii Litiu-ion au potenţialul de a deveni tehnologia acumulatorului dominant în următorii ani. Ei s-au dezvoltat rapid în ultimii ani pentru utilizarea în electronică(telefoane mobile și notebook-uri), dar și în cazul automobilelor electrice care sunt echipate cu baterii litiu-ion: Tesla Roadster, Think City și Mitsubishi iMiev. Acumulatorii litiu-ion reprezintă o opțiune pentru automobilele electrice, înalta performanță fiind dată de către litiu care are cel mai înalt potențial electrochimic echivalent. Acest lucru indică cea mai mare energie specifică potențială (Wh / kg) și în plus este foarte ușor. Bateriile litiu-ion se fabrică în mai multe tipuri, specificațiile sunt în funcție de materialele care sunt folosite pentru anod sau catod.
Cei mai utilizați acumulatori au un catod constând din oxid de cobalt litiu (LiCoO), dioxid de litiu mangan (LiMn2O4) sau litiu fosfat de fier (LiFePO4). Acumulatorii utilizați în telefoanele mobile și notebook-uri sunt litiu oxid de cobalt și sunt mai puțin potrivite pentru automobile decât dioxidul de mangan sau fosfat de fier. Acumulatorii mai avansați Li-Ion folosiți pentru aplicații militare sunt litiu dioxid de sulf (LiSO2) sau clorură de litiu (Li-SOCl2). Energia specifică în cazul acumulatorilor litiu-ion variază de la 50 Wh / kg la 200 Wh / kg pentru cei mai avansați, iar densitate de putere poate fi la fel de mare, practic 2000 W / kg .
4.Acumulatori aer-metal
Cei mai mulți acumulatori aer-metal nu pot fi reîncărcați prin simpla inversare a curentului, metodă care se aplică la acumulatorii normali. Electrozii acumulatorului se înlocuiesc cu cei noi, practic sunt acumulatori reîncărcabili mecanic și sunt comparabili cu celule de combustibil. Un avantaj primar al acumulatorului aer -metal este faptul că acumulatorul are un reactant/metal, iar al doilea reactant este oxigenul care nu trebuie să se formeze în acumulator. Prin urmare, acumulatorul metal -aer are un avantaj privind greutatea redusă față de alte tipuri de acumulatori. Acumulatorul aer-Fe are densitatea de putere mai mică decât majoritatea acumulatorilor aer- metal, dar are avantajul de a putea genera un ciclul de viață deoarece acesta poate fi reîncărcat. Aer-Fe are o putere specifica de 90 W / kg și 500 cicluri încărcare-descărcare. Se utilizează la automobilele electrice cu o autonomie redusă de maximum 100 km.
- Acumulatorul clorură nichel sodiu
Acumulatorul clorura nichel de sodiu (NaNiCl2), sau Zebra Battery este în curs de dezvoltare de către compania MES-DEA din Elveția și este utilizat la automobilul electric Think. MES- DEA este singura companie din lume care are acest tip de acumulator în curs de dezvoltare și implementare. Zebra reprezintă zero acumulator emisie în atmosferă, acumulatorul având un electrod pozitiv din clorură de nichel solid și unul negativ- electrod de sodiu topit. Electrodul pozitiv central este înconjurat de un electrolit ceramic. Zebra are o putere specifică de 300 W/Kg cu 1000 de cicluri de încărcare –descărcare, iar durata de viață este mai mare de 10 ani . Un dezavantaj al acumulatorului Zebra este că funcționează la temperaturi între 270°C și 350°C. Este nevoie de energie pentru a menține acumulatorul la această temperatură. Ratele de descărcare pot fi de 10% pe zi.
- Super-condesatori
Super-condensatorii prezintă un raport foarte ridicat de energie/volum, în comparaţie cu condesatorii electrolitici obişnuiţi, deoarece pot fi încărcați și descărcați mult mai repede decât acumulatorii și sunt utili pentru stocarea energiei din frânarea recuperativă în cazul drumurilor cu rampe/pante sau accelerări rapide. Super-condensatorii au puteri de până la 5000 W / kg și peste 300.000 de cicluri, dar o densitate energetică scăzută de 5 Wh / kg. Practic supercondensatorul nu poate fi doar folosit ca un element independent de stocare a energiei pentru un automobil electric, dar poate fi o parte din sistemul total de stocare a energiei.
Avantajele fata de acumulator : durata de funcționare practic nelimitată, rezistenta serie mai redusă permițând astfel o putere mai ridicată, încărcare –descărcare rapidă și metode simple de încărcare; nu este necesar un circuit de detecție a încărcării complete, eficiență în stocarea energiei electrice și densitatea de energie mai mică este compensată de durata mare de funcționare;
Dezavantaje: nu se poate utiliza tot spectrul de energie disponibil, densitate mai mică de energie este mai mică comparativ cu acumulatorii (1/5 pană la 1/10 din energia specifică a acumulatorilor) și autodescărcarea este mai puternică ca la un acumulator. În multe aplicaţii unde se utilizează acumulatorii, un supercondensator în paralel cu un acumulator conduce la îmbunătațirea performanțelor în funcționare.
Bibliografie
- Ellerman, Eric. Johnson Controls Inc. Domestic Advanced Battery Industry Creation Project. Paper presented at the U.S. Department of Energy 2010 Annual Merit Review, 2010
- Davis, Jeff. Global Business Manager at Chemetall Foote Corp. Personal communication with
GGC research staff, 2010
- Dell, Dick, Executive Director. Advanced Vehicle Research Center (AVRC) Personal communication with CGGC research staff, 2010.
- Esaka T, Sakagucji H, Kobayashi S. Hydrogen storage in protpn-conductive perovskitetype oxide and their application to nickel-hydrogen batteries. Solid State Ionics 166 (3–4):351–357, 2004
- 5. Corrigan D, Masias A. Batteries for electric and hybrid vehicles. In: Reddy TB (ed) Linden’s handbook of batteries, 2011
- Ehsani M, Gao Y, Emadi A . Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles: fundamentals, theory and design, 2010.