Snel opladen van batterijen: de grenzen van de natuurkunde

Geschreven door Peter Duits.

We tellen niet meer Overwinningsaankondigingen Aankondigen dat de nieuwe XZZ Plus-batterij (of andere) eindelijk het probleem van capaciteit en snel opladen zal oplossen, waardoor het elektrische voertuig net zo efficiënt zal zijn als een traditioneel thermisch voertuig met een oplaadtijd van minder dan 5 minuten en een kilometerstand gelijk aan of groter dan het bereik van 800 km van de meeste dieselvoertuigen van vandaag.

En onze gespecialiseerde journalisten, die zagen dat elektrische auto’s in de vroegmoderne tijd 24 uur nodig hadden om op te laden, hebben de potentiële oplaadtijd snel zien toenemen tot 12 uur, daarna 6 uur, en lijken in de loop van de tijd snel af te nemen, zeg maar zelf: de vijf minuten Binnenkort beschikbaar!

Nou nee, antwoordt de natuurkundige. Er is een onzichtbare maar zeer aanwezige barrière.

Batterijonderzoek

Het is zeer waarschijnlijk dat uitgebreid onderzoek naar batterijen het onderwerp is dat al tientallen jaren de meeste onderzoeksbronnen in de wereld mobiliseert. en dit is Zonder echt overtuigend resultaat : De beslissende technologische sprong is er nooit gekomen (je zou misschien verrast zijn door deze wreedheid, maar dat is off-topic voor vandaag).

De nieuwe batterijen zouden ook het project zijn met de langste initiële ontwikkelingsperiode (150 jaar?). De reden is dat de natuurkunde hardnekkig gekant is tegen de ontdekking dat elektrische batterijen als bescheiden fossiele brandstoffen presteren.

De uitdaging is gemakkelijk te identificeren, maar moeilijk te bereiken. Dit omvat het maken van een batterij met de volgende kenmerken:

1. In staat om evenveel energie op te slaan als die van een conventionele dieselautotank, namelijk 60 liter brandstof of 48 kg.
2. Kan in minder dan 5 minuten worden bijgevuld (voltijds gemiddeld).
3. Deze eerste twee prestaties nemen niet af gedurende de levensduur van de auto.
4. Hetzelfde blijven (stijfheid) gedurende de hele levensduur van het voertuig.

Ondanks de enorme hoeveelheid onderzoek zijn de huidige batterijen (2020) nog ver verwijderd van dit aanbod. Bovendien is het duidelijk dat de natuurkunde de innovatiemogelijkheden op dit gebied beperkt.

Het basisprobleem, dat de fabrikanten niet duidelijk noemden, komt van kenmerk nummer 2. Om het te begrijpen, moet je onderzoeken wat er in de pompbuis gebeurt als je deze met brandstof vult.

Ik wil het hebben over de energiestroom, oftewel de hoeveelheid energie die moet passeren tijdens het tanken of opladen, hetzij in de buis, hetzij in de vorm van brandstof, of in de laadkabel in de vorm van elektriciteit.

Om aan voorwaarde nummer 2 te voldoen, is het noodzakelijk om door de laadkabel van het elektrische voertuig te kunnen gaan, een hoeveelheid energie die gelijk is aan die welke door de buis gaat, en dit is waar de schoen samendrukt.

Het is onmogelijk om een ​​doel te bereiken

Hier is de reden:

Conventionele dieselbrandstof bevat energie die vrij kan komen bij verbranding van 44 megajoule of 12,2 kWh per kilo (verwijzing).

Zo bevat een volle tank (60 liter of 48 kilogram) van een dieselautotank het totale losvermogen van:

12,2 x 48 = 585,6 kWh

Opgemerkt moet worden dat de capaciteit van de batterijen uitgerust met huidige elektrische auto’s ongeveer 50 kWh is, wat ongeveer 10 keer minder is dan de waarde die hierboven zal worden bereikt en dat de Tesla Model 3 kan worden uitgerust met een batterij van 100 kWh, of ongeveer 5 keer minder dan Deze waarde.

Men moet echter ook rekening houden met fruit activiteiten. Volgens Wikipedia zal de algehele efficiëntie van een thermisch voertuig op de snelweg slechts zijn: 20% brandstof op wielen. Dus de energie die daadwerkelijk uit volheid kan worden gebruikt, is alleen:

585,6 x 0,2 = 117,1 kilowattuur

De prestaties van de elektrische auto op de snelweg zijn volgens Wikipedia veel beter: dat wordt het ook 74% Van de batterij tot de wielen, een efficiëntie die zich efficiënter zou moeten vermenigvuldigen om de batterij op te laden, wat zal zijn 85%.

Om een ​​eerlijke vergelijking met een elektrische auto te maken, moeten we bovenstaande 117,1 kWh delen door het product van het EV-rendement (motor en opladen), en het vermogen wordt:

117,1 / (0,74 x 0,85) = 186,2 kWh

De hierboven berekende energie moet door de pomp worden overgebracht naar de tank in 5 minuten. De geleend– Capaciteit die overeenkomt met overdracht op dit moment voor dezelfde hoeveelheid energie in een hypothetische snelladende batterij (5 minuten of 1/12^ja uur) 186,2 x 12 = 2234 kilowatt, of ongeveer 2,2 megawatt

Deze waarde ligt dichter bij de macht van a middelgrote transformator Levering van enkele honderden woningen, vergeleken met huishoudelijke installaties (ongeveer 12 kW voor een grote woning).

Notons que comme il s’agit de transfer une quantité d’énergie électrique d’un générateur à une battery, et cela dans un temps donné, de résultat de la division de la quantité d’énergie par bice temps, correspondent , at De generator opladen.

Het is een hoeveelheid elektrische energie Belang die in relatief korte tijd moet worden overgedragen kort. Om de ideeën vast te leggen, moet de verbindingskabel tussen de terminal en de batterij onder een spanning van 500V DC een sterkte van 4400 ampère ondersteunen, wat enigszins onrealistisch lijkt.

Zelfs in de veronderstelling dat de batterij is aangepast om een ​​lading van 500 VDC en 4400 A te kunnen ontvangen en dat er een laadstation met deze kenmerken kan worden geïnstalleerd, is het benodigde vermogen (meer dan 2 MW) zelfs zodanig dat dit apparaat alleen op een precieze locatie worden geïnstalleerd En weinig en er zal geen twijfel over bestaan ​​dat er twee stations op dezelfde plaats zullen worden geïnstalleerd, wat overeenkomt met een capaciteit van 4,4 megawatt.

Er is een kabel nodig die 4400 ampère kan ondersteunen, volgens de gegevens op grafiek p.verwijzing) is een koperen staaf van 225 x 20 mm die bestand is tegen stroom met een temperatuurstijging die beperkt is tot 30°C boven de omgevingstemperatuur. Dit type apparaat kan bijna onoplosbare problemen veroorzaken met zowel het feitelijke contact (contactkwaliteit) als de exacte positie van het voertuig ten opzichte van de stekkerdoos.

We erkennen dat deze beperkingen zowel de potentiële aanwezigheid van laadstations die regelmatig langs wegen worden verspreid, elimineren als de configuratie van batterijen en leveringssystemen die deze beperkingen kunnen weerstaan.

Batterijen: mogelijke oplossingen

Vervang koper door zilver

Zilver is het meest elektrisch geleidend van alle metalen, dus men kan hopen de afmetingen van de geleider te verkleinen door koper te vervangen door zilver. Helaas zijn de verschillen in weerstand tussen de twee metalen klein (koper: 1,72 µohm.centimeter, zilver: 1,59 µΩ.cm. (Referentie: CRC Handbook of Chemistry and Physics Edition 46th).

Deze vervanging kan de afmetingen van de geleiders op zijn best met een klein percentage veranderen, zonder enige substantiële verbetering.

Gebruik supergeleiding

Het is mogelijk om een ​​stroom van 4400 ampère te voeren in een supergeleidend materiaal dat op een temperatuur onder de kritische temperatuur wordt gehouden door vloeibare stikstof = -195 °C te laten lopen. Aangezien de weerstand van een dergelijke geleider nul is, kunnen de afmetingen zodanig zijn dat de geleider flexibel is.

Het belangrijkste nadeel van het systeem is de verplichting om de geleider op bedrijfstemperatuur te houden, wat een zware koelinstallatie bij zeer lage temperaturen dwingt.

Bovendien kan deze oplossing zich niet gemakkelijk uitstrekken tot de intrinsieke geleiders van het voertuig, wat het voordeel van supergeleiding beperkt.

Gewoon dichtbij komen, kritische doelen niet bereiken

• Het volledig opladen van de batterij is veel moeilijker dan het gedeeltelijk opladen van 75% of zelfs 50%. In deze gevallen wordt inderdaad de waarde van het te verzenden vermogen vermenigvuldigd met 0,75 of 0,50, wat het mogelijk maakt om de intensiteit in dezelfde verhoudingen te verminderen: we gaan naar 3300 ampère (75%) of 2200 ampère (50%) .
• We kunnen 10 minuten afkoelen in plaats van vijf minuten. Dan stijgt de stroom tot 1650 A voor 75% belasting en 1100 A voor 50% belasting.
• We accepteren een batterijcapaciteit gedeeld door twee (292,8 in plaats van 585,6 kWh, dat is nog steeds drie keer de capaciteit van een Tesla 3. Dan komen we op 550 Ah, een waarde die met de huidige middelen realistisch wordt.
• Deze waarde kan door twee worden gedeeld om uiteindelijk 275 ampère te bereiken, als we overeenkomen om de laadspanning te verhogen tot 1000 volt.

Het is waarschijnlijk dat fabrikanten naar deze derde oplossing zullen gaan, waarbij ze de oorspronkelijke doelstellingen negeren en een echt verminderde autonomie (300 of 400 km?) accepteren en een oplaadtijd van 10 minuten die realistisch wordt als het aantal laadstations groot is, en ze zijn alomtegenwoordig, wat mogelijk is geworden door beperkingen te verminderen.

Conclusie

Deze kleine tafelhoekberekeningen laten zien dat accu’s van elektrische auto’s lang niet zo goed presteren als een enkele tank diesel.

Bovendien moeten we bezwijken voor het feit dat ze ze gewoon niet kunnen bereiken, niet om redenen van de batterijen zelf, maar om redenen van stroomverdeling. We zullen onze ambities moeten inperken. En morgen, of zelfs overmorgen, zal het waarschijnlijk niet ieders elektrische auto zijn.

Het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op 14 augustus 2020.