211service.com
Kāpēc mums nav akumulatoru izrāvienu
Daudzsološs progress, kas neizdevās, liecina par to, kas būs nepieciešams, lai izgatavotu lētus akumulatorus elektromobiļiem. 2015. gada 10. februāris
Elektriskās automašīnas ir ātras un klusas, un to darbības rādiuss ir vairāk nekā pietiekami liels lielākajai daļai braucienu. Ja vēlaties automašīnu ar ārkārtīgi ātru paātrinājumu, Tesla Model S ir grūti pārspēt. Un, protams, elektriskie transportlīdzekļi izvairās no piesārņojuma, kas saistīts ar parastajām automašīnām, tostarp no oglekļa dioksīda emisijām, kas rodas, sadedzinot benzīnu. Tomēr tie veido nelielu daļu no automašīnu pārdošanas apjoma, galvenokārt tāpēc, ka akumulatori, kas tos darbina, ir dārgi un ir bieži jāuzlādē.
Labāks akumulators var mainīt visu. Taču, lai gan pēdējās desmitgades laikā ir paziņoti par neskaitāmiem sasniegumiem, atkal un atkal šie sasniegumi nav spējuši pārvērsties komerciālos akumulatoros ar kaut ko līdzīgu solītajiem izmaksu un enerģijas uzglabāšanas uzlabojumiem. Daži labi finansēti jaunuzņēmumi, jo īpaši A123 Systems, sāka ar drosmīgiem apgalvojumiem, taču tos neizdevās īstenot (skatiet sadaļu Kas notika ar A123?).
Šis stāsts bija daļa no mūsu 2015. gada marta numura
- Skatiet pārējo izdevuma daļu
- Abonēt
Spēks, jaunā žurnālista Stīva Levīna grāmatā ir aprakstīts stāsts, kas slēpjas aiz viena no dramatiskākajiem pēdējo gadu paziņojumiem par akumulatoru, un paskaidrots, kā tas nav izdevies (skatiet Skumjo stāstu par akumulatora izrāvienu, kas izrādījās pārāk labi, lai būtu patiess). Paziņojums tika sniegts 2012. gada februārī konferencē Vašingtonā, kur bija ieradušies daudzi pētnieki, uzņēmēji un investori, lai uzklausītu tādus cilvēkus kā Bils Geitss un Bils Klintons, kas skaidroja jaunu enerģijas tehnoloģiju nozīmi, kā arī izmantojiet vienu no jaunākajiem finansējuma avotiem Vašingtonā, Enerģētikas progresīvo pētniecības projektu aģentūru jeb ARPA-E. ARPA-E, kas dibināta 2009. gadā, bija uzdots identificēt potenciāli transformējošus pētījumus. Šīs aģentūras vadītājs Aruns Majumdars bija gatavs atklāt vienu no pirmajiem lielākajiem panākumiem: starta Envia izstrādāto akumulatora elementu, kas spēj uzglabāt divreiz vairāk enerģijas nekā parastais. Akumulatora izmaksas, kas varētu nogādāt automašīnu no Vašingtonas uz Ņujorku bez uzlādēšanas, sacīja Majumdars, samazināsies no 30 000 USD līdz 15 000 USD. Elektriskās automašīnas kļūs daudz pieejamākas un praktiskākas (skatiet Liels akumulatora jaudas lēciens ).
Dažu mēnešu laikā GM licencēja tehnoloģiju un parakstīja līgumu, lai atbalstītu tās attīstību, iegūstot tiesības izmantot visas iegūtās baterijas. Darījums, iespējams, bija simtiem miljonu dolāru vērts Envia, raksta LeVine. Taču drīz vien Envia saņēma neapmierinātus ziņojumus no GM inženieriem, kuri nevarēja reproducēt starta rezultātus. Gadu pēc paziņojuma darījums tika izjaukts. Envia iespaidīgais akumulators bija nejaušība.
Pārskatītās lietas
Spēks
Autors Stīvs Levins
Vikings, 2015
Levīna pārskats par Envia darbu parāda, kāpēc lielu progresu akumulatoru jomā ir tik grūti sasniegt un kāpēc jaunizveidotie uzņēmumi, kas sola pasauli mainošus sasniegumus, ir cīnījušies. Pēdējās desmitgades laikā mēs esam redzējuši ievērojamus uzlabojumus šajā nozarē, taču tos lielākoties ir radījuši reģistrēti uzņēmumi, kas pastāvīgi gūst nelielus panākumus.
Envia šūna bija jauna veida litija jonu akumulators. Šīs baterijas, kas tika izgudrotas 1970. gadu beigās un 1980. gadu sākumā un tika tirgotas 1990. gados, ģenerē elektrisko strāvu, kad litija joni pārvietojas starp diviem elektrodiem. Viegli, bet spēcīgi, tie ir pārveidojuši portatīvo elektroniku. Tomēr to izmantošana elektromobiļos ir nesen. Deviņdesmitajos gados GM savam elektriskajam EV-1 izmantoja lētākus svina-skābes akumulatorus; katrs akumulators svēra apjomīgus 600 kilogramus un nogādāja tikai 55 līdz 95 jūdzes, pirms tas bija jāuzlādē. Kad Tesla Motors 2008. gadā prezentēja vienu no pirmajiem ar litija jonu darbināmiem elektriskajiem automobiļiem, tas ar uzlādi varēja nobraukt 250 jūdzes, kas ir aptuveni trīs reizes tālāk nekā EV-1. Bet transportlīdzeklis maksāja vairāk nekā 100 000 USD, lielā mērā tāpēc, ka akumulatori bija tik dārgi. Lai samazinātu izmaksas, ar litija jonu darbināmās elektriskajās automašīnās, kuras šodien ražo tādi uzņēmumi kā Nissan un GM, tiek izmantoti mazi akumulatoru komplekti, kuru darbības rādiuss ir mazāks par 100 jūdzēm.
Lai gan pēdējās desmitgades laikā ir paziņoti par neskaitāmiem sasniegumiem, atkal un atkal šie sasniegumi nav spējuši pārvērsties komerciālos akumulatoros.
Viena sarežģīta lieta labāku akumulatoru izstrādē ir tā, ka tehnoloģija joprojām ir slikti izprotama. Nomainot vienu akumulatora daļu, piemēram, ieviešot jaunu elektrodu, var rasties neparedzētas problēmas, no kurām dažas nevar atklāt bez gadiem ilgas pārbaudes. Lai sasniegtu tādus sasniegumus, kādus meklē riska kapitālisti un ARPA-E, Envia iekļāva ne tikai vienu, bet divus eksperimentālos elektrodu materiālus.
LeVine apraksta, kas nogāja greizi. 2006. gadā Envia bija licencējusi daudzsološu materiālu, ko izstrādājuši Argonnas Nacionālās laboratorijas pētnieki. Pēc tam tika atklāta liela problēma. Problēma, ko viens akumulatoru uzņēmuma vadītājs nosauca par nolemtības faktoru, bija tā, ka laika gaitā akumulatora darbības spriegums mainījās tā, ka tas kļuva nederīgs. Argonnes pētnieki pētīja problēmu un neatrada gatavu atbildi. Viņi nesaprata materiāla pamata ķīmiju un fiziku pietiekami labi, lai precīzi saprastu, kas notika nepareizi, nemaz nerunājot par tā novēršanu, raksta LeVine.
Ieskatoties Tesla Model S iekšpusē, redzams akumulators — pelēka plāksne, kas aizņem lielāko daļu vietas starp priekšējiem un aizmugurējiem riteņiem.
Ar savu eksperimentālo materiālu pretējam elektrodam, kas ir balstīts uz silīciju, Envia saskārās ar vēl vienu izaicinājumu. Šķietami, pētnieki bija atrisinājuši galveno problēmu ar silīcija elektrodiem — to tendenci sabrukt. Taču risinājumam bija vajadzīgas nepraktiskas ražošanas metodes.
Kad Envia 2012. gadā nāca klajā ar paziņojumu, šķita, ka tā ir izdomājusi, kā panākt, lai abi šie eksperimentālie materiāli darbotos. Tā izstrādāja silīcija elektroda versiju, ko varēja ražot lētāk. Un, izmantojot izmēģinājumus un kļūdas, tas bija paklupis uz pārklājumu kombinācijas, kas stabilizēja Argonne materiāla spriegumu. Envia līdzdibinātājs Sujeet Kumar saprata, ka atbilde bija pārklājumu kompozīts, raksta LeVine. Bet viņš joprojām nezināja, ko kompozīts arestēja un kāpēc tas izdevās. Tā kā Envia bija jaunizveidots uzņēmums ar ierobežotiem līdzekļiem, viņam nebija instrumentu, kas varētu to izdomāt. Taču, tiklīdz kļuva skaidrs, ka Envia ziņotos rezultātus par savu akumulatoru nevar reproducēt, problēmas izpratne kļuva ļoti svarīga. Pat nelielas materiāla sastāva izmaiņas var būtiski ietekmēt veiktspēju, tāpēc Envia zināja, ka tā rekordlielais akumulators darbojās, jo viena piegādātāja materiāla partijā bija piesārņotājs.
Stāsts par Envia ir krasā pretstatā tam, kas izrādījās pēdējā laika veiksmīgākais mēģinājums samazināt akumulatoru cenas un uzlabot to veiktspēju. Šos panākumus nav radījis izrāviens, bet gan Tesla Motors un lielākā akumulatoru elementu piegādātāja Panasonic ciešā partnerība. Kopš 2008. gada Tesla akumulatoru komplektu izmaksas ir samazinātas aptuveni uz pusi, savukārt uzglabāšanas jauda ir palielinājusies par aptuveni 60 procentiem. Tesla nemēģināja radikāli mainīt litija jonu akumulatoru ķīmiju vai materiālus; drīzāk tas veica pakāpeniskus inženierijas un ražošanas uzlabojumus. Tā arī cieši sadarbojās ar Panasonic, lai pielāgotu esošo akumulatoru materiālu ķīmiju atbilstoši precīzām savu automašīnu vajadzībām.
Kopš 2008. gada Tesla akumulatoru komplektu izmaksas ir samazinātas aptuveni uz pusi, savukārt uzglabāšanas jauda ir palielinājusies par aptuveni 60 procentiem.
Tesla apgalvo, ka ir uz pareizā ceļa, lai līdz 2017. gadam ražotu elektrisko automašīnu par 35 000 USD ar aptuveni 200 jūdžu darbības rādiusu — tas ir līdzvērtīgs tam, ko GM cerēja sasniegt ar Envia jauno akumulatoru. Uzņēmums plāno pārdot simtiem tūkstošu šo elektromobiļu gadā, kas būtu liels lēciens salīdzinājumā ar desmitiem tūkstošu, ko tas pārdod tagad. Tomēr, lai elektriskie automobiļi veidotu ievērojamu daļu no aptuveni 60 miljoniem automašīnu, ko katru gadu pārdod visā pasaulē, akumulatoriem, iespējams, būs jāuzlabo ievērojami. Galu galā 200 jūdzes ir daudz mazāk nekā 350 jūdzes, ko cilvēki ir pieraduši braukt ar benzīna tvertni, un 35 000 USD joprojām ir nedaudz vairāk nekā daudzu mazu ar gāzi darbināmu automašīnu cena 15 000 USD.
Kā izlīdzināsim plaisu? Droši vien joprojām ir daudz vietas, lai uzlabotu litija jonu akumulatorus, lai gan ir grūti iedomāties, ka Tesla panākumi ar nelielām akumulatora ķīmijas izmaiņām turpināsies bezgalīgi. Kādā brīdī var būt nepieciešamas tādas radikālas izmaiņas, kādas ir paredzējusi Envia. Taču Envia fiasko gūtā mācība ir tāda, ka šādas izmaiņas ir cieši jāintegrē ar ražošanas un inženierzinātņu zināšanām.
Šī pieeja jau dod daudzsološus rezultātus ar Envia licencēto Argonne materiālu. Envia akumulators darbojās ar augstu spriegumu, lai sasniegtu augstu enerģijas uzkrāšanas līmeni. Tagad akumulatoru ražotāji atklāj, ka, izmantojot pieticīgākus sprieguma līmeņus, var ievērojami palielināt enerģijas uzglabāšanu bez problēmām, kas satrauca Envia. Tikmēr akumulatoru pētnieki publicē dokumentus, kuros parādīts, kā neliels daudzums piedevu maina materiālu uzvedību, ļaujot uzlabot sprieguma un enerģijas uzglabāšanu. Galvenais ir apvienot pētījumus, kas izgaismo informāciju par akumulatoru ķīmiju un fiziku, ar pieredzi, ko akumulatoru ražotāji ir ieguvuši praktisku produktu ražošanā.
Tā ir nozare, kurā jaunuzņēmumam, lai arī cik vilinoša tā tehnoloģija būtu, ir ļoti grūti rīkoties vienam. Endijs Ču, bijušais A123 Systems vadītājs, kas bankrotēja 2012. gadā, nesen man pastāstīja, kāpēc akumulatoru nozarē dominē lielie uzņēmumi. Enerģijas uzglabāšana ir spēle, ko spēlē lieli spēlētāji, jo akumulatorā var noiet tik daudzas lietas, viņš teica. Es ceru, ka jaunizveidotie uzņēmumi būs veiksmīgi. Bet jūs varat ieskatīties dažu pēdējo gadu vēsturē, un tas nav bijis labi.