Ποιες νέες τεχνολογίες αναμένει να τεθούν σε μαζική παραγωγή;
Η απόδοση των μπαταριών εξακολουθεί να είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για την ευρεία υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων από το αγοραστικό κοινό, με το «άγχος της αυτονομίας» είτε ορθά είτε λανθασμένα να είναι ένα ζήτημα. Αυτό ισχύει είτε για ένα ηλεκτρικό Super Mini είτε ένα σπορ αυτοκίνητο όπως το Porsche Taycan. Η Porsche κυκλοφόρησε πρόσφατα μια επισκόπιση της άποψής της για την τρέχουσα αγορά μπαταριών, αντλώντας πληροφορίες από τους μηχανικούς της και από τους εμπειρογνώμονες τρίτων ιδρυμάτων.
Σύμφωνα με την Porsche, η πραγματικότητα είναι ότι επί του παρόντος, οι μπαταρίες εξακολουθούν να αποτελούν έναν συμβιβασμό. «Ειδικά για την Porsche, η υψηλή απόδοση φόρτισης παίζει σημαντικό ρόλο», λέει η Δρ Stefanie Edelberg, μηχανικός της Porsche Engineering. «Η σπορ οδήγηση εξαντλεί την μπαταρία γρηγορότερα και ο πελάτης δεν θέλει να περιμένει μια ώρα για να την επαναφορτίσει πλήρως».
Δυστυχώς, όπως σημειώνει ο Dirk Uwe Sauer, καθηγητής Τεχνολογίας Ηλεκτροχημικής Μετατροπής της Ενέργειας και Συστημάτων Αποθήκευσης στο Πανεπιστήμιο RWTH του Aachen, «Η τεχνολογία των μπαταριών για τα αυτοκίνητα λειτουργεί καλά στην πράξη, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων της απόδοσης, φόρτισης και διάρκειας ζωής. Ωστόσο, πολλές ακραίες ιδιότητες δεν μπορούν να συνδυαστούν. Δεν μπορείτε να έχετε τα πάντα ταυτόχρονα.»
Εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση σε συνδυασμό με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα; Αυτό δεν είναι δυνατό επειδή η διάρκεια ζωής θα μειωθεί από αυτόν τον συνδυασμό.
Ως εκ τούτου, ο Sauer είναι σκεπτικός σχετικά με τις αναφορές των μέσων ενημέρωσης σχετικά με υποτιθέμενες μπαταρίες θαύματα, επειδή συνήθως βελτιστοποιείται μία μόνο παράμετρος εις βάρος των άλλων.
Αν και βρίσκονται σε εξέλιξη έρευνες για υψηλή πυκνότητα ενέργειας και για τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας για ηλεκτρικά οχήματα, τα στοιχεία ιόντων λιθίου θα παραμείνουν η τεχνολογία επιλογής για το προβλέψιμο μέλλον. Έχουν αποδεκτή πυκνότητα ενέργειας και ισχύος, ενώ διαθέτουν επίσης καλή αντοχή, η οποία τους επιτρέπει να αντέχουν περίπου 2.000 κύκλους φόρτισης σε ένα ηλεκτρικό όχημα, σε υψηλό βάθος εκφόρτισης, πριν χάσουν τη χρησιμότητά τους.
Ένας αριθμός που θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω στο μέλλον.
Η συναίνεση τόσο στην Porsche όσο και άλλων κατασκευαστών είναι ότι η τεχνολογία ιόντων λιθίου εξακολουθεί να προσφέρει πληθώρα ευκαιριών ανάπτυξης από την άποψη της χημείας και του σχεδιασμού των στοιχείων.
Για παράδειγμα, σύμφωνα με ερευνητές του Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI), η ενεργειακή πυκνότητα έχει σχεδόν διπλασιαστεί τα τελευταία 10 χρόνια στα στοιχεία των μπαταριών ιόντων λιθίου μεγάλων διαστάσεων για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα – έχοντας πλέον μια μέση ειδική ενέργεια 250Wh / kg (ή 500 Wh/l ενεργειακή πυκνότητα). Μέχρι το 2030, η Porsche προβλέπει ότι η ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε να διπλασιαστεί, ενώ άλλες ιδιότητες των στοιχείων ιόντων λιθίου μπορούν επίσης να βελτιωθούν.
«Οι μεγαλύτερες προκλήσεις είναι η γρήγορη φόρτιση και η ασφάλεια», αναφέρει ο Stefano Passerini, διευθυντής της Ομάδας Έρευνας Ηλεκτροχημείας των Συσσωρευτών στο Ινστιτούτο Helmholtz Ulm.
«Μια γρήγορη φόρτιση στο 80% σε 15 λεπτά ή λιγότερο θα έκανε τα ηλεκτρικά οχήματα ακόμη πιο ελκυστικά. Ωστόσο, οι απαιτήσεις ασφαλείας αυξάνονται επίσης σε συνδυασμό με την ταχεία φόρτιση.»
Δεν είναι απλώς η τεχνολογία των συσσωρευτών που θα μπορούσε να περιορίσει το δυναμικό των ηλεκτρικών οχημάτων. Για παράδειγμα, τα βύσματα φόρτισης, τα καλώδια φόρτισης και η υποδομή του οχήματος πρέπει επίσης να έχουν σχεδιαστεί για την γρήγορη φόρτιση. Τα υψηλά ρεύματα σημαίνουν παχιά καλώδια και επομένως βάρος, εξου και η κίνηση πολλών κατασκευαστών προς υψηλότερες τάσεις λειτουργίας.
Αυτός ήταν ο λόγος για τον οποίο η Porsche σχεδίασε το Taycan της για να λειτουργεί στα 800V αντί για τα συνήθη 400V στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
Για να συγκρίνουμε τους χρόνους φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων με διαφορετική χωρητικότητα μπαταρίας, ο συντελεστής C (C σημαίνει «χωρητικότητα») είναι μια χρήσιμη μέτρηση. Δείχνει την αναλογία του ρεύματος φόρτισης ή εκφόρτισης ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου σε αμπέρ (Α) προς τη χωρητικότητα του στοιχείου σε αμπέρ-ώρες (Ah).
• Η τιμή 1 σημαίνει ότι η πλήρης επαναφόρτιση διαρκεί μία ώρα.
• 2 σημαίνει μισή ώρα,
• 3 σημαίνει 20 λεπτά.
Ο τρέχoν μακροπρόθεσμος στόχος στην Porsche είναι ένας ρυθμός C ίσος με 10, που σημαίνει περίπου έξι λεπτά χρόνου φόρτισης – παρόμοιο με τον ανεφοδιασμό των συμβατικών καυσίμων. Η πραγματικότητα όμως εξακολουθεί να απέχει από αυτόν τον στόχο, αλλά μέσω του ερευνητικού έργου FastCharge, στο οποίο συμμετέχουν εταιρείες όπως η Siemens, η Phoenix Contact E-Mobility μαζί με την Porsche και άλλες, θεωρείται ως ένας εφικτός στόχος. Πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχουν μπαταρίες με ρυθμό C άνω των 10, αλλά έχουν πολύ χαμηλή πυκνότητα ισχύος, οπότε δεν είναι βιώσιμες ως μπαταρίες υψηλής τάσης για εφαρμογές σε ηλεκτρικά οχήματα.
Η κοινοπραξία FastCharge λέει ότι έχει ήδη σημειώσει μεγάλη πρόοδο. Ένα ερευνητικό όχημα της Porsche με χωρητικότητα μπαταρίας περίπου 90 kWh πέτυχε χωρητικότητα φόρτισης 400 kW, επιτρέποντας χρόνους φόρτισης λιγότερο από τρία λεπτά για τα πρώτα 100 χιλιόμετρα της εμβέλειας του. Μια ολοκληρωμένη διαδικασία φόρτισης από 10-80% στον εξαιρετικά γρήγορο σταθμό φόρτισης χρειάστηκε 15 λεπτά. Επομένως, οι τιμές C από 4 έως 5 είναι εφικτές. «Ο αποφασιστικός παράγοντας ήταν ένα καινοτόμο σύστημα ψύξης για την μπαταρία, το όχημα και το σύστημα φόρτισης», εξηγεί ο Edelberg.
Κοιτώντας προς το μέλλον, η Porsche αναμένει ότι η τεχνολογία συσσωρευτών στερεάς κατάστασης θα φέρει πρόοδο όσον αφορά τη γρήγορη φόρτιση και την ασφάλεια. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούν ένα πολυμερές ή κεραμικό υλικό αντί για τον υγρό ηλεκτρολύτη. Δεδομένου ότι δεν χρησιμοποιείται υγρό, οι μπαταρίες γίνονται πιο συμπαγείς, γεγονός που επιτρέπει την αύξηση της ενεργειακής τους πυκνότητας. Ταυτόχρονα, τα στοιχεία είναι λιγότερο εύφλεκτα.
«Περιμένουμε από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου στερεάς κατάστασης να μειώσουν τα προβλήματα ασφάλειας, επειδή οι ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης είναι λιγότερο ευαίσθητοι στη φωτιά», λέει ο Passerini. Θεωρητικά, θα μπορούσαν επίσης να φορτιστούν γρηγορότερα. «Αλλά η πρακτική σκοπιμότητα δεν έχει ακόμη αποδειχθεί», προειδοποιεί.
To μέλλον θα δείξει ποια τεχνολογία θα επικρατήσει.
Το Ινστιτούτο ΙΔΕΕΑ έχει καταθέσει τις απόψεις του με ένα report στις αρχές του έτους. Είναι ένας απολογισμός για το 2019 και οι εκτιμήσεις 10 σημείων της επιστημονικής ομάδας του Ινστιτούτου ΙΔΕΕΑ για την μελλοντική κινητικότητα.Διαβάστε εδώ!
