Какие батареи используются в электромобилях?

Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, 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% полезной энергии.

История создания Li-ion аккумуляторов

Первичные химические источники тока с литиевым анодом появились в 70-х годах. Однако при создании аккумуляторов, составленных из них, возникли серьезные проблемы, которые были преодолены только к середине 90-х годов. Эти проблемы были связаны с активностью лития: при больших токах происходил разогрев и самовозгорание батареи. Поэтому от применения чистого лития отказались, а решили использовать его ионы. Отсюда и пошло название аккумуляторов.

Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, зато они безопасны при условии соблюдения правильных режимов заряда и разряда. В них отсутствует металлический литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой.

Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет доминировать еще несколько лет, что подтверждают и инвестиции ведущих производителей экомобилей. Технологии развиваются, и весь мир ожидает революции в производстве аккумуляторных батарей. Но пока Li-ion 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.

Отдельного 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. Такие батареи используются, например, в китайском электроседане BYD Han и обеспечивают ему пробег на 1 заряде до 605 км.

Пробег на 1 заряде зависит от энергоемкости используемых в электромобиле литиевых батарей и других факторов: силы и направления ветра, рельефа местности, загруженности автомобиля и т.д.

Характеристики самых дальнобойных электромобилей:

Модель	Энергоемкость, кВт·ч	Максимальное расстояние пробега на 1 заряде, км
Tesla Model S	100	610
BYD Han EV	77	605
Ford Mustang Much-E	98,8	600
Tesla Model 3	75	560
Volkswagen ID.3	82	550
Tesla Model X	100	507
Skoda Enyaq	82	500
Hyundai Kona Electric	67,1	480
Jaguar I-Pace	90	470
Porsche Taycan	93,4	462
Kia e-Niro	67,1	455
Kia e-Soul	67,1	452
Audi e-Tron	95	446
BMW iX3	80	440
Volvo XC40 Recharge	78	425
SEAT el-Born	62	420
Mercedes EQC	85	417
Renault Zoe	55	395
Nissan Leaf	62	385
Chevrolet Bolt	60	380
Peugeot e-208	50	34

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

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

Как правильно эксплуатировать батарею?

Помните правила обращения с мобильными телефонами на заре их использования? Когда надо было максимально полно разряжать их аккумуляторы, а потом заряжать до 100 процентов. Иначе возникал эффект «памяти» и батарея быстро теряла ёмкость.

Сегодняшнего владельца электромобиля подобная суета обошла стороной — заряжать его можно в любой момент. У Li-Ion-элементов за оптималь­ными уровнями разряда по всей матрице ячеек следит целая процессорная система. Однако есть нюансы, которые могут сократить ресурс аккумуляторов или, наоборот, немного продлить им жизнь.

К первым относится частое применение скоростных зарядок от станций постоянного тока мощностью более 100 кВт. В дальней дороге, где-то на авто­магистрали это буквально спасение: за 30–40 минут от такого терминала можно пополнить запас хода электрокара на 150–200 км, а заодно самому отдохнуть и подкрепиться. Но для ячеек батареи зарядка сверх­интенсивными токами всё-таки стресс. Для регулярной подпитки лучше использовать станции мощностью не более 25–50 кВт.

Второй потенциальный стресс — работа при сильно отрицатель­ных температурах. Конечно, продвинутый контроллер батареи сделает всё возможное, чтобы ограничить ток на холодных элементах и как можно скорее прогреть их (а заодно — и салон) при помощи штатного кондиционера инверторного типа. Но будет куда лучше и для вас, и для батареи, если при зимней эксплуатации оставлять электро­мобиль на зарядном кабеле до самого выезда, а накануне включать по таймеру подогрев от электросети.

Третий потенциальный стресс — регулярный заряд до максимальных 100%, при котором ячейка испытывает уже близкие к чрезмерным изменения в химическом балансе. Так что небольшой «комфортный» недозаряд для Li-Ion-элементов вашего электромобиля будет точно полезен..

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 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.

Емкость Li-ion батарей постепенно снижается, даже если они просто лежат на складе.

Через несколько лет номинальная емкость АКБ уменьшается на 20–30%, считают эксперты Auto3N. Например, батареи популярных электромобилей Tesla Model S и Nissan Leaf на практике теряют 5–10% емкости за первые 2 года эксплуатации и еще 15–20% за следующие 3 года. В дальнейшем ежегодное снижение емкости у них составляет 1–5%.

В связи с этим сокращается и расстояние пробега на 1 заряде. Так, приобретенный более 5 лет назад Nissan Leaf может преодолевать без подзарядки до 130 км пути, хотя изначально проезжал 160 км. Выпущенные в 2013 году электромобили Tesla Model S и сейчас преодолевают на 1 заряде не менее 200 км, но изначально проезжали 335 км. Похожие тенденции наблюдаются и у экомобилей других марок.

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.

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.