Tại sao ắc quy xe vẫn còn quá nặng?

Quay lại khi tôi còn là một đứa trẻ, ắc quy ô tô từng là những cục nhựa nặng khổng lồ chứa đầy chì và axit. Họ đã từng nặng gần như một chiếc điện thoại di động (hơi phóng đại ở đó, xin lỗi).

45 năm sau, ắc quy xe vẫn trông như cũ và nặng như nhau.

Vì vậy, trong thời đại hiện đại này và nhấn mạnh vào việc tiết kiệm nhiên liệu, tại sao pin vẫn nặng 40 lb? Tại sao những tiến bộ trong công nghệ không thể làm cho chúng nhẹ hơn và hiệu quả hơn?

Vì vậy, bây giờ sau khi trả lời câu hỏi nghĩa đen của bạn cho câu hỏi thực sự của bạn , bạn buồn bã không hỏi

Công nghệ pin đã di chuyển cho đến nay trong 100 năm qua. Pin khởi động axit chì trở nên phổ biến trong xe hơi vào năm 1920, chì về cơ bản là chất độc và axit sunfuric / chì không gây nguy hiểm. Chúng có xu hướng thất bại ở nhiệt độ lạnh, đặc biệt là nếu không được bảo trì thường xuyên và mặc dù chúng rõ ràng là rẻ như sản xuất, toàn bộ việc xử lý chúng, bao gồm các yêu cầu pháp lý để lấy lại pin cũ, phải là một cơn ác mộng.

Tại sao ngành công nghiệp chỉ vẽ một đường và chuyển sang những thứ như LiIon hoặc pin ol 'NiCd hoặc NiMH tốt, bây giờ những chiếc xe điện đã cho thấy bạn có thể lái xe nhiều năm một cách đáng tin cậy?

Pin NiCd đơn giản là kém hơn về mọi mặt nhưng mật độ năng lượng hơn axit chì. NiMH tốt hơn, nhưng đắt hơn nhiều, và vẫn có tỷ lệ xả cao hơn, thường (trừ khi bạn làm cho chúng thậm chí còn đắt hơn). Và vẫn còn khá khó để xử lý đúng.

Pin lithium không dễ xử lý. Bạn cần bảo vệ chúng trước mọi thất bại và một số trong số chúng khá nguy hiểm: đừng làm nóng pin lithium của bạn. Nó sẽ nổ tung. Và nhiệt là một vấn đề nghiêm trọng bên trong khoang động cơ (công bằng mà nói, pin không cần phải ở trong đó, nhưng nó khá tiện dụng).

Lý do chính thực sự là chi phí. Pin trong chiếc xe cuối cùng của tôi, một chiếc Fiat Punto 1999, đã cung cấp tối đa 100 A (khi tôi cố gắng ước tính dòng điện ngắn mạch thực tế, khoảng 43 A, nhưng vẫn còn rất nhiều. Giả sử P = U · I = 12V · 40A = 480W ) hiện tại và có công suất danh định khoảng 30 Ah (đó là năng lượng 12 V · 30Ah = 360Wh). Nó có giá 25 €. Vì vậy, đoán sơ bộ, nó rẻ hơn 10 € để sản xuất.

Vì vậy, hãy sử dụng loại pin lithium được sản xuất hàng loạt và do đó có giá rẻ. Các tế bào tròn thường được tìm thấy tạo nên nhiều bộ pin máy tính xách tay có giá khoảng 3 € mỗi chiếc (giả sử là 1 € trong sản xuất) trong khoảng 3ah (11.1Wh), cung cấp tới 5A (ngọn, không làm điều đó lâu) 3.7 V. Điều đó nói rằng một tế bào duy nhất trong số này có thể cung cấp 18,5W. Vì vậy, để đạt được 480W pin xe hơi giá rẻ của tôi, bạn cần 26 pin. Chúng có giá 26 € trong sản xuất, không kể số Euro bạn chi cho mạch điều khiển, sạc và bảo vệ, để bọc chúng trong một thứ gì đó cứng nhắc và an toàn, và thực tế là các khoáng chất cần thiết để sản xuất một số thành phần kim loại quý hiếm trong Lithium pin hiện không rẻ hơn và trang bị cho xe hơi trên toàn thế giới những thứ đó chắc chắn sẽ tăng tốc cơ chế thị trường đó.

Hãy giả sử quy mô chi phí với công suất. Pin lithium 26 cell của tôi có năng lượng 26 · 11.1Wh = 288,6Wh. Vì vậy, chúng ta cần phải tăng tỷ lệ đó lên 1,25 để đạt được 360Wh tương tự như pin axit-chì.

Một tế bào như vậy nặng khoảng 90g. Vậy trọng lượng của các tế bào là 26 · 90 g = 2,34 kg. Ok, tôi không có trọng lượng chính xác của pin xe hơi giá rẻ trong đầu, nhưng hãy nói rằng nó nặng 15 kg. Vì vậy, chúng tôi đã tiết kiệm trọng lượng theo hệ số khoảng 6,3, nếu vỏ và thiết bị điện tử của chúng tôi nhẹ (chúng không - theo như tôi có thể nói, bạn sẽ cần một nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi lớn để có thể sạc hiệu quả bằng cách sử dụng máy phát điện của xe hơi của bạn, và những thứ chủ yếu bao gồm một cuộn dây đồng khá cồng kềnh và có thể một số lõi ferrite không chính xác cũng rất nhẹ).

Điều đó dẫn đến hệ số chi phí khoảng 3,5 giữa thành phần A và thành phần B thay thế, với nhược điểm xử lý, độ tin cậy thấp hơn và thay đổi chuỗi cung ứng. Không có gì ngạc nhiên khi ngành công nghiệp xe hơi không đi theo hướng đó. (Và, nhân tiện, họ có vận động hành lang tuyệt vời.)

Vì vậy, câu trả lời rõ ràng đầu tiên:

Tại sao pin vẫn nặng 20kg?

Bởi vì chúng vẫn là pin axit-chì giống nhau. Đơn giản như thế. Không có công nghệ nào khác đến gần chi phí thấp trên mỗi Ampe (và ampe-giờ) của những người đó, gần độ tin cậy và gần dễ xử lý. 20kg không nặng lắm, nếu bạn cho rằng "tiết kiệm nhiên liệu" vẫn có nghĩa là chiếc xe mới trung bình của bạn mang theo hàng chục kg chức năng "tiện nghi" và chỉ nặng khoảng 1 Mg cho các bộ phận kim loại.

45 năm sau, ắc quy xe vẫn trông như cũ và nặng như nhau.

45? Giống như hơn 120 năm ... nhưng vâng. Chúng tôi vẫn xây dựng cầu bằng thép, bê tông của chúng tôi đã tốt hơn, nhưng về cơ bản vẫn là bê tông, chúng tôi sử dụng Asphalt cho đường, đồng vẫn là dây dẫn yêu thích của chúng tôi, công nghệ khuếch đại phổ biến nhất trong mọi thứ mà về cơ bản không phải là tần số thấp một bộ khuếch đại A / B loại bóng bán dẫn lưỡng cực, và tủ lạnh của chúng tôi vẫn không dựa trên các phương tiện truyền nhiệt hiệu quả hơn, mà là nén nhiều hoặc ít chất lỏng nguy hiểm.

Pin mới nhất nhẹ hơn nhiều và chi phí ít hơn trong vòng đời của xe so với pin cũ. Nhưng họ không sử dụng hóa học LA (axit chì).

Một pin LiFePO4 (Lithium Ferro Phosphate) sẽ làm những gì được yêu cầu với toàn bộ chi phí có thể chấp nhận được NHƯNG với chi phí vốn ban đầu cao hơn - khiến nó không hấp dẫn đối với các nhà sản xuất ô tô.

Chi phí vốn ban đầu thấp dường như là lý do chính để thích axit chì hơn LiFeO4 và không rõ ràng có bất kỳ lý do thực sự tốt nào khác.

Tuổi thọ của chu kỳ lớn hơn rất nhiều so với Axit chì, cho phép toàn bộ chi phí vòng đời thấp hơn axit chì.

Không giống như LiIon (Lithium Ion), "tăng vọt qua trái tim" sẽ không gây ra vấn đề mà LiIon gặp phải.

Kiểm soát sạc là "đủ dễ dàng".

So với axit chì:

Độ sâu xả cho phép, và mức phí tối đa chấp nhận được cao hơn,

Phạm vi nhiệt độ tốt hơn

Hiệu quả nạp tiền là tốt hơn.

Hiệu suất tự xả là tốt hơn.

Giới thiệu

Li-ion / LiIon:

Thật đáng để nhận xét về pin LiIon vì chúng thường bị "báo chí xấu" liên quan đến an toàn.

So với chì-axit, hóa học LiIon cung cấp mật độ năng lượng và khối lượng tốt hơn đáng kể (nhẹ hơn & nhỏ hơn), vòng đời dài hơn một chút, chi phí vốn cao hơn và có thể vượt trội hơn toàn bộ chi phí cuộc sống. Quản lý đúng cách, kiểm soát sạc dễ dàng hơn. Phạm vi nhiệt độ tốt hơn, hiệu quả sạc / xả có phần vượt trội. Sự coi thường liên quan đến an toàn phần lớn không phải là vấn đề - xem bên dưới.

Trong nhiều ứng dụng pin LiIon là các pin của sự lựa chọn - từ Dreamliner đến điện thoại Samsung để "Hoverboards", Mars Rovers để máy tính xách tay và điện thoại thông minh để máy nghe nhạc MP3 và nhiều hơn nữa. Ba ứng dụng đầu tiên ở trên đã được chọn cho những thất bại ngoạn mục được biết đến của chúng. Nhưng bất cứ điều gì được sử dụng trong Mars Rover đều được chọn vì sự phù hợp của nó trong một cuộc sống lâu dài, môi trường thù địch, không được thất bại trong nhiệm vụ. Và có hàng trăm triệu pin LiIon được sử dụng hàng ngày trong túi và nhà và xe hơi của mọi người và hơn thế nữa.

Với những cách mà pin LiIon CÓ THỂ thất bại, những con số DO thất bại một cách ngoạn mục là rất hiếm. Lỗi được báo cáo rộng rãi là khá thường xuyên do một số lỗi hệ thống ảnh hưởng đến một lô hoặc kiểu pin đã được sản xuất và phân phối với số lượng lớn HOẶC khối lượng thấp hơn cho các ứng dụng cấu hình cao. Trong những trường hợp như vậy, lỗi thiết kế hoặc sản xuất hoặc nguyên nhân thiếu sót hoặc cho phép thất bại mà hậu quả của nó bị trầm trọng hơn bởi các hành vi không thể tha thứ của hóa học LiIon.

Các ví dụ được công bố rộng rãi các sự kiện "thông hơi với ngọn lửa" trong một số máy tính xách tay Apple, điện thoại Samsung trước đây, "bảng treo" tự cân bằng và tương tự. Trong hai ví dụ đầu tiên, các nhà sản xuất có thẩm quyền thường cho phép một lỗi thiết kế tồn tại không được chú ý và / hoặc không được chú ý hoặc cắt các góc trong sản xuất đến mức độ an toàn bắt kịp với chúng. Trong trường hợp "hoverboards", tôi không biết nguyên nhân nhưng có thể là do sản xuất chi phí thấp chất lượng thấp và kiểm soát phí kém như mọi thứ khác. Trong các thiết bị tiêu dùng, lỗi pin LiIon thường xảy ra do sự cố ngắn mạch xảy ra trong một tế bào do độ hở không đủ và do đó có độ nhạy va chạm hoặc ảnh hưởng đến các biến thể dung sai sản xuất thống kê.

Trong trường hợp hỏng hóc pin Boeing Dreamliner, tôi chưa thấy báo cáo nguyên nhân gốc cuối cùng NHƯNG trong khi một số lỗi được công bố công khai (và có thể một vài lỗi không được công bố) trong một khối lượng sản phẩm rất nhỏ, hậu quả rất đáng kinh ngạc .

Một cuộc kiểm tra chi tiết về các thất bại và chế độ và hậu quả của LiIon cho thấy chúng gần như không có tính bạo lực như 'huyền thoại' phổ biến và trong khi việc giải phóng năng lượng là đáng kể, thì việc ngăn chặn tương đối dễ dàng về mặt kỹ thuật. Ngăn chứa thêm trọng lượng, khối lượng và chi phí và không thể tìm thấy trong máy tính xách tay hoặc thiết bị bỏ túi / cầm tay. Nó được tìm thấy trong Dreamliners và có thể dễ dàng được sử dụng trong các ứng dụng pin đơn ô tô (tức là không phải EV) trong khi vẫn giữ trọng lượng và thể tích vẫn dưới mức axit chì và chi phí bổ sung khiêm tốn. Trong các ứng dụng xe điện, các vấn đề dường như đã được giải quyết hoặc cung cấp "đủ tốt". Tôi có chuyên môn về ni trong lĩnh vực điều tiết an toàn. nhưng tôi tự tin rằng các quy định mang lại cho chúng ta những cảnh quay giả mạo ngoạn mục và cho phép việc tiết kiệm nhiên liệu xăng dầu có độ bay hơi cao trong các phương tiện chở khách cũng giải quyết các vấn đề an toàn xung quanh các nguồn năng lượng LiIon. Tôi chưa từng nghe nói về một chiếc xe 'Tesla' bị hỏng do lỗi pin - mặc dù điều đó có thể xảy ra - và tôi tưởng tượng rằng Musk và đồng tin rằng họ có khu vực rủi ro này "trong tay đầy đủ".

Tôi chưa bao giờ, phần nào làm tôi thất vọng, đã thấy một sự kiện thông gió của LiIon và cá nhân tôi không biết ai có. Sự xuất hiện là đủ phổ biến để đôi khi làm cho tin tức New Zealand (dân số New Zealand dưới 5 triệu).

LiIon so với LiFePO4:

So với LiFePO4, hóa học LiIon cung cấp mật độ năng lượng và khối lượng tốt hơn một chút (nhẹ hơn & nhỏ hơn), vòng đời LOWER đáng kể , chi phí vốn thấp hơn một chút (trên mỗi công suất năng lượng) và thấp hơn đáng kể so với toàn bộ chi phí cuộc sống. Kiểm soát sạc là như nhau nhưng LiFePO4 khó bị thiệt hại đáng kể trong các trường hợp cận biên. Phạm vi nhiệt độ là không tốt, hiệu quả sạc / xả là như nhau. LiFePO4 ít phải chịu các vấn đề an toàn.

Ở những khu vực có kích thước và trọng lượng nhỏ nhất và vấn đề chi phí vốn thấp nhất (với việc sử dụng xe điện là một ví dụ điển hình) LiIon vượt trội hơn LiFePO4.

Trong hầu hết tất cả các lĩnh vực và ứng dụng khác, LiFePO4 tốt hơn hoặc tốt hơn nhiều so với LiIon và tôi coi chúng là công nghệ pin hiện tại được lựa chọn cho tuổi thọ năng lượng cao, lưu trữ năng lượng đếm chu kỳ cao.

Pin khởi động lithium tồn tại , chủ yếu dành cho đua xe hoặc các ứng dụng xa xỉ hoặc hiệu suất khác , trong đó các quyền tiết kiệm trọng lượng hoặc quyền khoe khoang đáng giá.

Tuy nhiên, như những người khác đã lưu ý, nhu cầu của ứng dụng là khá lớn và công nghệ lithium cần rất nhiều sự phát triển và chăm sóc đặc biệt để có thể hoàn thành một cách đáng tin cậy và an toàn vai trò của pin khởi động / phụ kiện trong xe cơ giới. Giá cực kỳ cao - dễ dàng gấp mười đến hai mươi lần so với pin chì thông thường. Hầu hết mọi người không muốn trả 1000 đô la cho pin xe hơi của họ, vì vậy họ không.

Câu trả lời rất đơn giản: Bởi vì chúng tôi chưa tìm thấy thứ gì tốt hơn.

Một pin xe hơi cần phải sạc trong một thời gian dài, có thể cung cấp một dòng điện lớn và phù hợp với một không gian nhỏ. Và nó sẽ giúp nếu nó không quá đắt.

Axit chì vẫn là giải pháp tốt nhất cho những yêu cầu đó.

Bạn có thể sử dụng hóa học dựa trên Lithium, chúng có thể giữ điện tích và cung cấp dòng điện lớn. Chúng cũng đắt hơn nhiều, nhạy cảm với nhiệt độ, đòi hỏi nhiều sự chăm sóc bằng điện hơn và ngoạn mục hơn nếu xử lý sai bằng điện hoặc cơ học.
Các chi phí phụ và độ phức tạp đơn giản là không xứng đáng với lợi ích của việc giảm <1% trong khối lượng cuối cùng của xe hơi.

Tôi thấy rằng bạn đã thêm một câu hỏi mới vào cuối bài viết của bạn:

Tại sao những tiến bộ trong công nghệ không thể làm cho chúng nhẹ hơn và hiệu quả hơn?

Bởi vì đó không phải là cách hóa học hoạt động.

Dung lượng trong một loại pin duy nhất được xác định khá nhiều bởi số lượng ion mà bạn có - và trong trường hợp pin axit-chì, khá nhiều khối lượng chì bạn cần, cộng với một số để giữ nguyên cấu trúc.

Giờ đây, các loại pin khác bị thiếu bề mặt hoặc khả năng di chuyển ion bị hạn chế làm hạn chế khả năng cung cấp dòng điện cao của pin, nhưng bạn không thể làm gì nhiều để tăng điều đó đối với pin axit chì - nước là chất mang tuyệt vời cho hóa chất liên quan và khả năng tìm nguồn cung ứng hiện tại của pin axit chì là khá nhiều.

Do đó, nó chỉ đơn giản là một công nghệ trưởng thành. Giống như chúng ta đã làm cho thép xây dựng giá rẻ tốt hơn nhiều trong 80 năm qua, không có gì có thể làm được về pin axit chì để làm cho chúng tốt hơn mà không từ bỏ nguyên tắc axit chì, với tất cả các vấn đề mà câu trả lời thứ hai của tôi giải thích .

Sử dụng siêu tụ điện làm pin khởi động là hoàn toàn khả thi và đã được thử nghiệm bởi những người đam mê trong thực tế, xem ví dụ . Ngoài giá cao hơn, một số ví dụ về những khó khăn thực tế được báo cáo:

• Supercap một mình, trong khi khởi động xe dễ dàng hơn pin chì, sẽ xả trong khoảng nửa giờ nghe radio nếu không được sạc liên tục.
• Kết hợp trực tiếp pin lithium + supercap không bị ảnh hưởng từ phía trên nhưng cuối cùng lại bị hỏng khi anh ta sử dụng nó để khởi động máy cắt cỏ - pin Li sẽ cần thêm thiết bị điện tử để ngăn chặn điều này.

Chủ yếu là một lý do: giá cả. Có những lựa chọn thay thế công nghệ tốt hơn, như pin lithium-ion được sử dụng trong ô tô điện, nhưng chúng cũng đắt hơn nhiều. Những loại ắc quy này thực sự cần thiết trong ô tô điện, nơi bạn cần một công suất lớn mà không làm tăng trọng lượng của xe (ắc quy sẽ quá nặng nếu phải thay bình xăng làm nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho xe), nhưng trong xe chạy bằng nhiên liệu trọng lượng của một pin chì cổ điển duy nhất được sử dụng chỉ để khởi động động cơ, so với trọng lượng xe không đáng kể, trong khi tỷ lệ giá / công suất thấp hơn đáng kể. Đó là một vấn đề chi phí / hiệu quả: chúng rẻ hơn, chúng cung cấp đủ năng lượng cho nhu cầu của xe và trọng lượng của nó không liên quan.