Technika i gadżety

Nowe technologie w autach elektrycznych

• Technika i gadżety
• 2023 / 06 / 22

Poprzednim razem podaliśmy informację, że samochód elektryczny po raz pierwszy w historii stał się najlepiej sprzedającym się na świecie modelem. W pierwszym kwartale br. Tesla wyprzedziła lidera od wielu lat, Toyotę Corolla. Napisaliśmy też, że w Norwegii, samochody elektryczne (Battery Electric Vehicle - BEV) w marcu stanowiły aż 86,8% nowych rejestracji wszystkich aut.

A kolejne 4,3% stanowiły samochody hybrydy z wtyczką (PHEV). Łącznie, samochodów z wtyczką Norwegowie zarejestrowali więc aż 91,1%.

Trudno w takiej sytuacji nie pisać o technologicznych nowinkach, dotyczących samochodów elektrycznych. Oto kilka z nich.

Akumulatory litowo-krzemowe

Sukces Tesli polegał m.in. na zastosowaniu w swoich samochodach akumulatorów litowo-jonowych. Tą drogą poszli też kolejni producenci. Ale wciąż poszukuje się doskonalszych rozwiązań, szczególnie pod względem szybkości ładowania akumulatora. Jednym z obiecujących rozwiązań jest zastosowanie krzemowej anody. Zwykle w akumulatorach litowo-jonowych znajduje się anoda grafitowa. Jest ona jednak jednym z głównych powodów degradacji pojemności akumulatora, szczególnie przy bardzo szybkim ładowaniu.

Eksperymenty z anodą krzemową trwają od lat 70-tych ubiegłego wieku. Ale dopiero niedawno udało się dokonać przełomu w zastosowaniu jej w akumulatorze litowo-jonowym. Prace nad tym prowadziła od ponad dekady izraelska firma StoreDot. Niedawno poinformowała o skonstruowaniu akumulatora, który zaczyna nazywać się już litowo-krzemowym, pozwalającym na cykliczne, bardzo szybkie ładowanie.

Firma nazwała swój wynalazek "100 w 5", nawiązując do powiększenia zasięgu auta o 100 mil w 5 minut. Podaje też, że akumulator o pojemności 75 kWh można naładować od 10% do 80% w 10 minut. Do 80%, a więc praktycznie do pełna, bo 80% uznaje się za maksymalną wartość naładowania, która jest nieszkodliwa dla żywotności akumulatora.

Firma StoreDot podaje przy tym, że przeprowadziła testy bardzo szybkiego ładowania mocą 350 kW. Wielokrotne szybkie ładowanie i rozładowanie pokazało, że degradacja pojemności do 80% oryginalnej pojemności akumulatora następuje dopiero po 1000 gwałtownych cyklów. Zakładając, że na jednym ładowaniu samochód przejeżdża 200 mil, akumulator zachowa sprawność po przejechaniu przez samochód nawet 200 tysięcy mil.

StoreDot ma za partnerów takie firmy jak Volvo i Daimler (producent Mercedesa). Obydwu koncernom udostępnił już pierwsze akumulatory litowo-krzemowe. Firma oczekuje, że na rynku pojawią się one za dwa lata.

Stacje automatycznej wymiany akumulatorów Ample działają już w Kalifornii.

---

Akumulatory LFP

Akumulatory litowo-jonowe - również te z anodą krzemową - wymagają stosowania metali rzadkich, jak nikiel i kobalt. Nie są potrzebne w akumulatorach Lithium-Iron Phosphate (litowo-fosforano-żelazowe), określanych w skrócie LFP. Powstały one już dawno temu, ale akumulatory litowo-jonowe wydawały się zawsze atrakcyjniejsze, bo uzyskiwać w nich można było większą gęstość energii. LFP stosowane były jednak w maszynach roboczych, a postęp w ich konstrukcji wywołał większe nimi zainteresowanie.

Jak duże jest to zainteresowanie? Wystarczy powiedzieć, że prawie połowa samochodów elektrycznych sprzedawanych w Chinach ma akumulatory LFP. A Chiny są zdecydowanie największym rynkiem takich samochodów, obejmującym 59% światowej sprzedaży. W ubiegłym roku Chińczycy kupili 6,2 mln aut elektrycznych, podczas gdy Europejczycy 2,7 mln, a Amerykanie 1,1 mln. Akumulatory LFP z pojemnością podobną do litowo-jonowych oferują chińscy producenci BYD i SAIC (właściciel marki MG), a także sprzedawana w Chinach Tesla Model 3.

Chiński koncern BYD uczynił ponadto LFP akumulatorami bezpieczniejszymi od litowo-jonowych, których uszkodzenie grozi zapłonem. Komórki ułożył w akumulatorze w płaskich obudowach, przez co konstrukcja nazywana jest Blade (ostrze). Na prezentacji wbijano w akumulator gwóźdź, pokazując, że pożar nie wybucha, choć wnętrze akumulatora narażone zostało na kontakt z tlenem.

Ładowarki na każdym parkingu

Ładowanie akumulatorów jak na razie zajmuje jednak co najmniej kilkadziesiąt minut, a przy użyciu wolniejszych ładowarek nawet wiele godzin. Dlatego problemem jest nie tylko liczba publicznych ładowarek, ale też zajmowanie ich przez kierowców. Podłączając samochód do ładowania pozostawiają go i nawet jeżeli ładowanie zakończy się, samochód zajmuje miejsce przy ładowarce.

Niemiecki koncern przemysłowy Rheinmetall opracował ładowarkę, która może być instalowana w krawężniku. Ma to umożliwić ich powszechne zastosowanie na zwykłych miejscach parkingowych, bez konieczności wydzielania specjalnego obszaru, gdzie stawiane są ładowarki w postaci szafki. Niemiecka ładowarka ma moc tylko 22 kWh, a więc zapewnia dość powolne ładowanie. Ale zrobiona została z myślą instalowania jej np. na osiedlowych parkingach, gdzie kierowcy zostawiają samochody na całą noc.

Jazda bez ładowania akumulatorów

Skoro ładowanie akumulatorów to taki duży problem, to może trzeba szukać rozwiązań, w których kierowca w ogóle nie musi się tym zajmować. Takie rozwiązanie oferuje firma Ample. Polega na szybkiej wymianie całej baterii rozładowanych akumulatorów na akumulatory wcześniej naładowane. Samochód wjeżdża na specjalną platformę, która unosi go lekko w górę, bo dostęp do baterii akumulatorów uzyskiwany jest od podwozia. Proces wymiany zajmuje zaledwie kilka minut i jest całkowicie zautomatyzowany.

Oczywiście samochód musi być odpowiednio przystosowany do takiej automatycznej wymiany. Producent samochodów elektrycznych Fisker, jako pierwszy model, którego kierowca będzie mógł skorzystać z technologii wymiany całej baterii akumulatorów zaproponował SUV o nazwie Ocean. Samochód jest na razie w ofercie jako zwykły samochód elektryczny. Jego ceny zaczynają się od 37,5 tys. dolarów, a najdroższy model kosztuje 69 tysięcy, ma dwa silniki, zasięg 360 mil i przyspiesza od 0 do 60 mil na godzinę w 3,6 sekundy. Samochód z wymienialnymi akumulatorami Fisker zamierza początkowo oferować firmom posiadającym całe floty do służbowych celów.

Wymiana zamiast ładowania akumulatorów ma swoje zalety. Oprócz krótszego czasu przygotowania auta do dalszej jazdy, na żywotności zyskują też akumulatory. Mogą bowiem być spokojnie ładowane na stacji wymiany, a wolniejsze ładowanie jest dla nich zdrowsze. Ale są też wady takiego rozwiązania. Kierowca otrzymuje wciąż inny zestaw akumulatorów, o nieznanej jakości. Dlatego Fisker chce oferować swoje auta jako floty, bo właściciel samochodów i wszystkich akumulatorów jest jeden.

Fisker Ocean ma być przystosowany do automatycznej wymiany akumulatorów.

---

Pomysł był już testowany przez inną firmę, która zaoferowała swoje usługi w Izraelu i w Danii. Są to dość odizolowane rynki i łatwiej było je pokryć siecią stacji wymiany akumulatorów. Firma oferowała własne akumulatory, więc właściciel auta nie musiał się przejmować o ich stan. Usługę ich ładowania reklamowano jako podobną do sieci telefonii komórkowej - klient kupuje telefon, a firma telekomunikacyjna zapewnia łączność. Tak tutaj klient miał kupić samochód i dokupować do niego energię. Taki schemat ma też taką zaletę, że kupowany samochód jest znacznie tańszy, bo nie ma własnych akumulatorów. Mimo to, pomysł do dziś nie doczekał się upowszechnienia. Choć testowała go także Tesla.

Ładowanie w drodze

Pomysł ominięcia długiego stania przy stacji ładującej akumulatory ma jeszcze inna firma z Izraela, Electreon. Właśnie przeprowadziła test z użyciem zmodyfikowanego samochodu Toyota RAV4 Prime. Jest to auto typu PHEV, a więc hybrydowe, z możliwością doładowywania akumulatorów. Mają one jednak małą pojemność 18 kWh, więc w trybie elektrycznym samochód może być używany tylko na dystansie do 42 mil.

Firma Electreon wyposażyła jednak samochód w funkcję ładowania bezprzewodowego. Jest ono możliwe na drodze, pod którą położone zostały kable zasilające auto na zasadzie indukcji - podobnie jak to robi bezprzewodowa ładowarka telefonu. W teście samochód przejechał 100 godzin bez konieczności doładowywania. Silnik spalinowy nie musiał się załączyć przez ponad cztery doby jazdy, a samochód zatrzymywał się wyłącznie po to, aby zmienił się kierowca. Pokonany dystans to 1200 mil.

Bezprzewodowe ładowanie wymaga budowy infrastruktury drogowej, nie jest więc rozwiązaniem, które mogłoby się szybko pojawić. Ale umieszczenie kabli tylko pod wybranymi drogami, np. międzystanowymi, pozwoliłoby na zmniejszenie pojemności akumulatorów, przez co samochody byłyby tańsze, lżejsze, a więc także bardziej efektywne. A długie podróże byłyby wciąż możliwe.

Akumulatory z elektrolitem stałym

Naukowcy od dawna przewidywali, że przyszłość należy do akumulatorów, których elektrolit nie będzie płynny (w praktyce, jest on właściwie w postaci żelu). Toyota ogłosiła w minionym tygodniu, że pokonała bariery technologiczne i już od 2026 roku zacznie oferować akumulator z elektrolitem stałym. Przez lata 2027-2028 ma nastąpić komercjalizacja tej technologii.

Akumulatory ze stałym elektrolitem mogą przechowywać większą ilość energii, dzięki czemu samochody będą miały większy zasięg. Co więcej, będą mogły być ładowane znacznie szybciej. W elektrolicie płynnym, w czasie ładowania dużym prądem powstają kryształki. Po utworzeniu się z nich łańcucha może dojść do zwarcia i pożaru, a nawet eksplozji. W elektrolicie stałym nie ma takiego zagrożenia. Toyota zapowiada, że jej samochód będzie miał zasięg 1200 kilometrów (746 mil), a ładowanie go zajmie zaledwie 10 minut.