05 марта 2016г.
Сегодня большой интерес проявляется к транспортным средствам на электрической тяге и источником энергии в виде химического источника тока (ХИТ) на борту. Такой вид транспорта обладает неоспоримыми плюсами:
· электрические двигатели (ЭД) имеют сравнительно высокий КПД (70-93 %), в сравнении с двигателями внутреннего сгорания (22-42 %) [2];
· ЭД не производят вредных выбросов в атмосферу в месте его нахождения (если пренебречь выбросами при производстве электроэнергии);
· конструкция электромобиля проще в виду простоты конструкции ЭД и отсутствии потребности в коробке переключения передач (ЭД имеют высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения вала и могут реверсироваться) и т.п. [5].
Однако, электромобили обладают и недостатками, большинство из которых связаны с несовершенством ХИТ:
· малый запас хода электромобилей на одной зарядке (150-400 км);
· длительное время зарядки аккумуляторов электромобиля в сравнении с заправкой топливом;
· снижение емкости ХИТ при низких температурах окружающей среды, и как следствие, сокращается запас хода.
В настоящее время в качестве ХИТ в электромобиле применятся свинцово-кислотные (крайне редко), никель-кадмиевые и литий-ионные аккумуляторы [5].
Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из электродов в виде свинцовых решёток, ячейки которых заполнены активной массой. В качестве активной массы положительного электрода используют диоксид свинца PbO2, отрицательного – чистый металлический свинец Pb. Для разделения разноименных электродов используются сепараторы - пористые полимерные перегородки. Электроды находятся в электролите, которым служит водный раствор серной кислоты H2SO4 высокой степени чистоты.
Электрохимический процесс, проходящий в свинцово-кислотном аккумуляторе, описывается общим уравнением (разряд – слева на право):
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + H2O
Согласно уравнению, при разряде аккумулятора на обоих электродах образуется сульфат свинца, а
электролит разбавляется водой. При заряде происходит обратная реакция. Емкость свинцово-кислотного аккумулятора снижается при высоких токах разряда. Так теоретически удельная емкость диоксида свинца составляет 240мАч/г, свинца – 257 мАч/г. При токе 20-часового разряда емкость диоксида свинца составляет лишь 100 мАч/г, свинца – 110 мАч/г. Серная кислота электролита тоже является расходуемым компонентом. Ее удельная емкость достигает 273 мАч/г [4].
Никель-кадмиевый аккумулятор состоит из положительного электрода покрытого пастой гидроксида никеля NiOOH (никелевый электрод) и отрицательного, покрытого оксидом кадмия CdO (кадмиевый электрод). Электроды разделены микропористыми щелочестойкими сепараторами, на основе поливинилхлорида, полиэтилена, иногда тканевыми из капрона. В качестве электролита применяется калиевый электролит (КОН), что позволяет эксплуатировать аккумуляторы в широком диапазоне температур (-50 ÷ 60°С).
Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов описывается уравнением (разряд – слева на право):
2NiOOH + Cd + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
В массовом производстве выпускают электроды четырех видов: ламельные, спеченные
(металлокерамические), прессованные и металловойлочные.
Ламельные электроды в виде набора перфорированных коробочек (ламелей), изготавливают из тонкой никелированной ленты. Никелевые электроды в таком исполнении имеют удельную емкость 60-120 мАч/г, кадмиевые – 120 мАч/г и способны выдержать до 1000 циклов. Спеченные электроды состоят из пористой металлокерамической основы, в порах которой находится активная масса. Такие электроды имеют высокую удельную емкость: никелевые - 100-140 мАч/г, кадмиевые - 160 мАч/г. При этом никелевые электроды такого типа способны выдержать лишь 600-800 циклов наработки, кадмиевые до 1000 циклов. Прессованные электроды получают напрессовкой активной массы на стальную сетку или перфорированную ленту. Кадмиевые прессованные электроды обладают высокой удельной емкостью 200-300 мАч/г и 1000 циклов наработки. Никелевые электроды того же типа имеют лишь 100 мАч/г при той же 1000 циклов наработки. Металловойлочные электроды изготавливают на основе никелированного полимерного или углеграфитового фетра с высокой пористостью. Металловойлочные кадмиевые электроды обладают рекордными 440 мАч/г и 2000 циклов наработки. Никелевые электроды такого типа имеют 110-150 мАч/г и 2000 циклов наработки [4].
Литий-ионный аккумулятор конструктивно состоит из алюминиевого положительного электрода (покрытого катодным материалом), и медного отрицательного электрода (покрытого анодным материалом). Они разделены пористыми сепараторами, пропитанными электролитом. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития Li+, который способен внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов, образуя с ними химические связи.
Электролит литий-ионных аккумуляторов, в отличие от традиционных (щелочных и кислотных) не участвует в окислительно-восстановительных реакциях, а лишь обеспечивает перемещение ионов лития и препятствует перемещению электронов. Обычно в качестве электролита используется гексафторфосфат лития LiPF6 [4].
В качестве анодного материала всех, производимых сегодня, литий-ионных аккумуляторов, применяется каменноугольный кокс или графит. При интеркаляции лития в графитовые структуры получается стабильное соединение LiC6 (разряд – справа на лево):
Li+ + e + 6C ↔ LiC6
Емкость анодного материала из графита составляет 345 - 360 мАч/г [1].
В массовом производстве литий-ионных аккумуляторов в качестве катодного материала сегодня используются три типа:
· кобальтат лития LiCoO2 и схожий с ним никелат лития LiNiO2;
· литий-марганцевая шпинель LiMn2O4;
· литий-ферро-фосфат LiFePO4.
Работа положительного электрода сводится к деинтеркаляции лития при заряде аккумулятора и к интеркаляции лития при разряде [4]:
LiCoO2 ↔ Li+ + e + CoO2 LiNiO2 ↔ Li+ + e + NiO2
LiMn2O4 ↔ Li+ + e + 2MnO2 LiFePO4 ↔ Li+ + e + FePO4
Катодный материал на основе кобольтата лития LiCoO2 обладает высокой стабильностью и удельной
емкостью 140-170 мАч/г, его промышленный синтез характеризуется относительной простотой и воспроизводимостью. Никелат лития LiNiO2 имеет высокую удельную емкость 190 мАч/г, но гораздо менее устойчив и при деинтеркаляции лития выделяет в 2 раза больше тепла, чем LiCoO2. Разрядная кривая электродов из LiNiO2 более крутая, т.е. изменение напряжения по мере разряда больше, чем в элементах с LiCoO2. Литий- марганцевая шпинель LiMn2O4 имеет немного меньшую удельную емкость, чем LiCoO2 и LiNiO2, но намного дешевле и надежнее своих «конкурентов». Литий-ферро-фосфат LiFePO4 имеет удельную емкость на уровне кобальтата лития 170 мАч/г, позволяет выполнить до 3000 циклов при потере 20% емкости, а самое главное низкую стоимость (благодаря дешевизне и доступности железа Fe) [1].
Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы рассматриваются наиболее перспективными для создания аккумуляторных батарей электромобилей. Вероятно, это обусловлено сравнительно низкой стоимостью и большим количеством циклов наработки.
Примером применения литий-ферро-фосфатные аккумуляторов является отечественный электромобиль Lada ElLada. Его батарея, общей энергоемкостью 23 кВт/ч, состоит из 79 аккумуляторов. Мощность электродвигателя составляет 60 кВт (80 л.с.). При весе 1215 кг (по данным производителя) электромобиль способен развить максимальную скорость – 130 км/ч. Запас хода на полностью заряженных аккумуляторах составляет 140 км. Время полной зарядки составляет 8 часов [3].
Список литературы
1. Ближайшее будущее аккумуляторных батарей [Электронный ресурс]. [Текст]. – Электрон. текст. дан. – 30.10.2012. – режим доступа: http://geektimes.ru/post/137276.
2. Брускин, Д.Э. Электрические машины [текст]: учебник для электротехн. спец. вузов в 2 ч. Ч. 1. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. - 2-е изд. – Москва : Высшая школа, 1987. - 319 с.
3. Гомянин, М. Lada Ellada: легенды «Эллады» на базе «Калины» [Текст] / М. Гомянин, Г. Садков. - Электрон. текстовые дан. За рулем. – 2014. - № 4. – Режим доступа: http://www.zr.ru/content/articles/628399- legendy-ellady.
4. Химические источники тока [Текст]: справочник / ред. Н.В. Коровин, А.М. Скундин. - Москва: Изд-во МЭИ, 2003. - 740 с.
5. Электромобиль. Техника и экономика [текст] / В.А. Щетина, Ю.Я. Морговский, Б.И. Центер, Б.А. Богомазов, ред. В.А. Щетины. Ленинград: "Машиностроение", 1987. - 253 с.
