Современные Li-ion батареи для электромобилей

Основой конструкции электромобиля является силовая установка и элементы питания. В ее состав может входить несколько электромоторов и цепи из аккумуляторных батарей. В отличие от классических автомобилей, работающих на стартерных аккумуляторах, электромобили используют тяговые батареи. Их главное отличие заключается в постоянном снабжении работающих двигателейи возможностью быстро подзаряжаться в процессе движения.

Стартерные аккумуляторы работают только в момент зажигания двигателя, а тяговые выдают меньшие токи, но работают в постоянном режиме. Они выступают непосредственными источниками питания электродвигателей и обеспечивают высокую эффективность преобразования полезной энергии – свыше 90%. Для сравнения, автомобили на ДВС получают от своих двигателей всего 40% КПД.

Какие типы батарей используются в электромобилях?

Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет развиваться еще несколько лет, что подтверждают инвестиции ведущих производителей электромобилей. Технологии наращиваются и весь мир ожидает новых жостижений в производстве аккумуляторных батарей. Но пока литий ионные аккумуляторы остаются вне конкуренции.
Некоторые изменения коснулись только химического состава катода. В частности, компания Tesla сейчас использует никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы Panasonic и никель-марганцево-кобальтовые (NMC) ячейки LG Chem со сниженным содержанием кобальта. Использование катода с 80% Ni, 15% Co и 5% Al позволило повысить емкость элементов без ущерба для их температурной стабильности. Иногда применяется соотношение компонентов Ni:Mn:Co=8:1:1. Компания CATL производит NMC-аккумуляторы с 20% кобальта. 

Особого внимания заслуживают литий-железо-фосфатные АКБ - LiFePO4. Эта разновидность Li-ion аккумуляторов минимум вдвое превосходит аналоги по циклическому ресурсу, имеет расширенный диапазон рабочих температур и максимально безопасна в эксплуатации. Батареи такого типа собираются на нашем предприятии «СВЯТЭКО» и обеспечивают пробег электромобиля на 1 заряде до 700 км.

Ресурс Li-ion батарей в электромобилях

Срок службы литий-ионных батарей для электромобилей составляет 1000–1500 циклов переразряда, что в среднем соответствует 8–10 годам эксплуатации. Вдвое больший ресурс имеют АКБ типа LiFePO4. Производители электромобилей дают на свою продукцию гарантию до 5 лет. Поэтому если при эксплуатации экомобиля какой-либо модуль батареи преждевременно выйдет из строя, покупатель может рассчитывать на его замену. 

Срок службы литиевых АКБ сокращается при частом использовании технологии быстрой зарядки. Этот способ позволяет за полчаса или за час повысить 80% заряда, но он в 1,5–2 раза ускоряет естественное старение Li-ion аккумуляторов. Поэтому чтобы продлить срок службы батареи, ее нужно заряжать меньшими токами. 

Стоит отметить, что батареи типа LiFePO4 менее чувствительны к быстрому заряду и более устойчивы к старению, чем Li-ion АКБ остальных видов.

Зарядка АКБ электромобилей

Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В.

Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются специальные ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева. 

Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.

Замена аккумуляторных модулей

Батарея электромобиля состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых собирается по определенной схеме для получения необходимых значений напряжения и емкости. Если какой-либо модуль поврежден или преждевременно вышел из строя по другой причине, он подлежит замене. Модульная конструкция батарей электромобилей позволяет менять аккумуляторные блоки выборочно.
Но для эффективного применения Li-ion батарей в электромобилях и других видах техники важно, чтобы характеристики всех модулей были максимально идентичными. Если же использовать вместе с новыми модулями старые блоки со значительно меньшей емкостью, они быстрее выйдут из строя.

Зарядка АКБ электромобилей

Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В. Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются специальные ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева.
Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.

Утилизация и переработка литиевых АКБ

Для полноценного развития электротранспорта важно организовать безопасную утилизацию и эффективную переработку литиевых батарей. С одной стороны, это важно для экономного расходования природных ресурсов: лития, кобальта, никеля, алюминия и других минералов. С другой стороны, нельзя допустить загрязнения планеты опасными химическими отходами.

Батареи электромобилей подлежат замене в среднем через 8–10 лет эксплуатации, когда их начальная энергоемкость снижается на 30%. Такими аккумуляторами можно оснащать солнечные электростанции и другие системы.

Батареи, полностью отработавшие свой ресурс, подлежат переработке с извлечением и повторным использованием содержащихся в них компонентов. В дальнейшем их можно использовать не только для производства батарей, но и для других целей.

Важный плюс переработки литиевых батарей – возможность сократить добычу минералов, а также снизить стоимость химических элементов и самих аккумуляторов. Ожидается, что именно переработка отходов позволит минимизировать затраты и повысить доступность электромобилей. Пока еще мало батарей электромобилей отработали свой ресурс. Но постепенно их количество будет расти, поэтому переработка аккумуляторных отходов считается очень перспективным и необходимым направлением.