- Kaj je v akumulatorju električnega vozila?
- Vrste baterij
- Osnovna kemija baterije
- Osnove kemije litijeve baterije
- Osnove baterij za električna vozila
Hitrost, kilometrina, navor in vsi tako pomembni parametri električnega avtomobila so odvisni samo od specifikacije motorja in akumulatorja, ki se uporablja v avtomobilu. Medtem ko uporaba močnega motorja ni velika težava, je težava v oblikovanju akumulatorja, ki bi lahko dolgo zagotavljal dovolj toka za motor, ne da bi poslabšal njegovo življenjsko dobo. Da bi se spopadli z napetostjo in trenutnim povpraševanjem, morajo proizvajalci električnih vozil združiti na stotine, če ne na tisoče celic, da tvorijo baterijo za en avto. Za predstavo ima Tesla model S približno 7.104 celic, Nissanov list pa približno 600 celic. To veliko število skupaj z nestabilno naravo litijevih celic otežuje oblikovanje akumulatorja za električni avto. V tem članku raziščimo, kako je baterija za električna vozila zasnovana za električno voziloin kateri so vitalni parametri, povezani z baterijami, za katere je treba poskrbeti.
Kaj je v akumulatorju električnega vozila?
Če ste prebrali članek Uvod v električno vozilo, bi do zdaj odgovorili na vprašanje. Za ljudi, ki so novi, naj na hitro ponovim uporabo. Spodnja slika prikazuje akumulator Nissan Leaf, ki je iz svojega kompleta raztrgan na nivo celice.
Sodobni električni avtomobili uporabljajo litijeve baterije za napajanje svojih avtomobilov zaradi nekaterih očitnih razlogov, o katerih bomo razpravljali kasneje v tem članku. Ampak, ti Litijeve baterije imajo le okoli 3.7V na celico ker zahteva nekje v bližini 300V EV avtomobilov. Da bi dosegli tako visoko napetost in Ah nazivne celice, se litijeve celice serijsko in vzporedno kombinirajo, da tvorijo module, ti moduli pa so skupaj z nekaterimi zaščitnimi vezji (BMS) in hladilnim sistemom razporejeni v mehansko ohišje, skupaj imenovano baterijski sklop, kot je prikazano zgoraj.
Vrste baterij
Medtem ko večina avtomobilov uporablja litijeve baterije, nismo omejeni le na to. Na voljo je veliko vrst kemije baterij. Baterije lahko na splošno razvrstimo v tri vrste.
Primarne baterije: to so baterije, ki jih ni mogoče polniti. To pomeni, da lahko kemično energijo pretvori v električno in ne obratno. Primer so alkalne baterije (AA, AAA), ki se uporabljajo za igrače in daljinske upravljalnike.
Sekundarne baterije: to so baterije, ki nas zanimajo za električna vozila. Kemično energijo lahko pretvori v električno energijo za napajanje EV, lahko pa tudi med polnjenjem ponovno pretvori električno energijo v kemično energijo. Te baterije se pogosto uporabljajo v mobilnih telefonih, EV in večini druge prenosne elektronike.
Rezervne baterije: To so posebne vrste baterij, ki se uporabljajo v zelo edinstveni aplikaciji. Kot že ime pove, se baterije večino življenjske dobe hranijo kot rezervne (pripravljenosti) in imajo zato zelo nizko stopnjo samopraznjenja. Primer bi bile baterije akumulatorjev.
Osnovna kemija baterije
Kot smo že povedali, je na voljo veliko različnih kemikalij za baterije. Vsaka kemija ima svoje prednosti in slabosti. Toda ne glede na vrsto kemije je nekaj skupnih stvari za vse baterije, poglejmo si jih, ne da bi se kaj dosti ukvarjali z njihovo kemijo.
V bateriji so trije glavni sloji, to so katoda, anoda in ločevalnik. Katoda je pozitivna plast baterije, anoda pa negativna plast baterije. Ko je obremenitev priključena na sponke akumulatorja, tok (elektroni) teče od anode do katode. Podobno, ko je polnilnik priključen na sponke akumulatorja, se tok elektronov obrne, to je od katode do anode, kot je prikazano na zgornji sliki.
Da bi katera koli baterija delovala, mora potekati kemična reakcija, imenovana reakcija redukcije oksidacije. Včasih se imenuje tudi Redox Reaction. Ta reakcija poteka med anodo in katodo akumulatorja skozi elektrolit (separator). Anodna stran baterije bo pripravljena pridobiti elektrone, zato bo prišlo do reakcije oksidacije, katodna stran baterije pa bo pripravljena popuščati elektrone in s tem bo prišlo do reakcije redukcije. Zaradi te reakcije se joni s katode prenesejo na anodno stran akumulatorja skozi separator. Posledično se bo v anodi nabralo več ionov. Za nevtralizacijo te anode mora potisniti elektrone s svoje strani na katodo.
Toda ločevalnik omogoča le pretok ionov skozi njega in blokira vsako gibanje elektronov od anode do katode. Torej, baterija lahko elektrone prenaša le prek zunanjih sponk, zato, ko na priključke akumulatorja priključimo breme, dobimo tok (elektroni), ki teče.
Osnove kemije litijeve baterije
Ker bomo razpravljali o litijevih baterijah, saj so najbolj zaželena baterija za električno energijo, se lahko malo bolj poglobimo v njeno kemijo. V litijevih baterijah je spet veliko vrst, najbolj litij-nikelj-kobaltov aluminij (NCA), litij-nikelj-mangan-kobalt (NMC), litij-manganov špinel (LMO), litijev titanat (LTO), litij-železov fosfat (LFP) skupne. Vsaka kemija ima spet svoje značilnosti, ki lepo ponazarjajo spodnjo sliko skupine Boston Consulting.
Od teh se zaradi nizkih stroškov najpogosteje uporablja litij-nikelj-kobaltov aluminij. V nadaljevanju tega članka bomo preučili več teh parametrov. Toda ena pogosta stvar, ki jo lahko opazite tukaj, je, da je litij prisoten v vseh baterijah. To je predvsem zaradi elektronske konfiguracije litija. Spodaj je prikazan nevtralni litijev kovinski atom.
Ima atomsko število tri, kar pomeni, da bodo trije elektroni okoli njene nukleaze, skrajna lupina pa ima samo en valenčni elektron. Med reakcijo se ta valentni elektron izvleče in tako dobimo en elektron in litijev ion z dvema elektronoma, ki tvorita litijev ion. Kot smo že omenili, bo elektron tekel kot tok skozi zunanje sponke baterije in litijev ion bo tekel skozi elektrolit (separator) med redoks reakcijo.
Osnove baterij za električna vozila
Zdaj vemo, kako deluje baterija in kako se uporablja v električnem vozilu, toda za nadaljevanje moramo razumeti nekaj osnovnih terminologij, ki se običajno uporabljajo pri oblikovanju akumulatorja. Pogovorimo se o njih…
Napetostna ocena: Dve zelo pogosti oceni, ki ju lahko označite na bateriji, sta njena napetost in Ah ocena. Svinčene kislinske baterije so običajno 12V, litijeve pa 3,7V. To se imenuje nazivna napetost baterije. To ne pomeni, da bo baterija ves čas zagotavljala 3,7 V prek svojih terminalov. Vrednost napetosti bo odvisna od kapacitete baterije. Pogovorili se bomo