전기차용 배터리 분야에서 획기적인 발전을 기대해야 할까요?
VO에서는 전기 자동차의 장점과 단점에 대한 질문이 여러 번 제기되었습니다. 동시에, 자동차 배터리의 제한적인 성능과 전기 자동차의 특성이 내연 기관(ICE)을 장착한 자동차에 얼마나 근접할 수 있는지에 대해서는 논의된 적이 없습니다. 그것이 우리가 이야기할 것입니다.
효율성
모든 내연 기관에서 연료가 연소되고 먼저 연료-공기 산소 쌍의 화학 에너지가 열에너지로 변환된다는 사실부터 시작하겠습니다. 그런 다음 기계 장치(디젤, 오토, 스털링 피스톤 엔진 또는 터빈)의 도움으로 연소 생성물의 열 에너지가 기계 에너지로 변환됩니다. 이 경우 비생산적인 열 손실은 불가피하며 이는 근본적인 성격을 갖습니다. 이상적인 조건에서 열 엔진의 효율은 카르노 공식을 사용하여 계산된 효율을 초과할 수 없습니다. 자세한 내용은 학교 교과서에서 확인할 수 있습니다.
연소실이나 실린더의 온도가 높을수록 그리고 배기관이나 노즐 출구에서 연소 생성물의 온도가 낮을수록 계산된 효율이 높아진다는 점만 참고하면 됩니다. 열 형태의 에너지 손실 외에도 엔진 구성 요소의 마찰 손실도 추가됩니다.
내연기관의 실제 효율은 설계 및 작동 조건에 따라 다르지만 일반적으로 25~50% 범위입니다. 이는 연료의 50~75%가 비생산적으로 연소되며 원칙적으로 이러한 손실을 피할 수 없음을 의미합니다.
도시 환경에서 운전할 때 상황은 더욱 악화됩니다. 가속하는 자동차는 신호등에서 속도를 늦추고 이제 운동 에너지는 브레이크 패드에서 열로 변환됩니다. 분명히 연료 소비를 줄이는 방법을 찾는 것은 발전에서 운송에 이르기까지 많은 응용 분야와 관련이 있습니다.
휘발유 또는 디젤 연료의 발열량은 약 10kW-hour/kg이며, 내연 기관의 효율성을 고려하면 차량 에너지 공급량은 kg당 2,5~5kW-hour입니다. 연료 2리터당 4~3kW-시간(평균 0,12kW-시간). 도시 조건에서 자동차를 운전하려면 소위 "표준 테스트주기"가 있습니다. 이 사이클에서는 톤-킬로미터당 XNUMXkWh의 에너지 소비율이 채택되었습니다.
예를 들어, 질량(연료 및 승객 1명 포함)이 200kg인 Skoda Fabia 자동차의 소유자인 경우 특정 에너지 소비량은 0,144kWh/km가 되며 이를 쉽게 계산할 수 있습니다. 100km를 주행하려면 최소 5리터의 연료가 필요합니다. 추가 프레젠테이션을 위해서는 또 다른 것이 중요합니다. 45리터 용량의 동일한 Skoda의 가스 탱크는 자동차에 135kW-시간의 유용한 에너지 예비량을 제공합니다.
이제 비교해 보겠습니다. Tesla Model S의 버전에 따라 배터리 무게는 총 중량이 430~600kg인 자동차의 경우 2~100kg까지 다양합니다. 2kg의 Tesla Model S 배터리는 300km의 차량 주행 거리를 제공할 수 있습니다. 이러한 배터리의 에너지 강도는 약 600kWh입니다.
합계: Skoda Fabia, 채워진 가스 탱크의 무게 - 46kg. 비에너지 – 2,9kW-hour/kg. 테슬라 모델 S, 배터리 무게 - 600kg, 비에너지 - 0,17kWh/kg, 스코다보다 18배나 나쁘다!
그러한 배터리를 직접 휴대하는 것은 값싼 즐거움이 아닙니다. 디자인을 가볍게 하기 위한 노력으로 개발자들은 알루미늄 본체를 포함시켰고, 보호 트레이는 티타늄으로 만들어졌습니다. 이로 인해 장난감 가격이 더욱 올랐습니다.
여기에서 예리한 독자는 다음과 같이 질문할 수 있습니다. 휴대폰 배터리의 비에너지가 0,3kWh/kg인 이유는 무엇이며, 자동차 배터리는 왜 0,17에 불과합니까?
그러나 자동차 배터리에는 중수 냉각 시스템이 포함되어 있기 때문에 그렇지 않으면 폭발 및 화재의 위험이 있습니다.
댓글에서 배터리 개발자가 스스로 노력해서 그런 것을 생각해낸다는 내용을 자주 읽을 수 있습니다. 이것이 바로 우리가 이야기할 내용입니다.
새로운 것을 생각해 내세요.
원칙적으로 모든 화학적 전류원(CHS)은 내연 기관과 유사한 구조로 되어 있습니다. 여기에는 연료(양극 물질), 산화제(음극 물질)가 포함되어 있지만 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정은 열 생성 단계 없이 발생합니다. 따라서 CCS의 효율성은 (원칙적으로는 그렇겠지만) 100%에 접근할 수 있습니다.
내연 기관 작동 중에 산화제와 연료가 혼합되고 분자 수준에서 전자가 연료에서 산화제로 전달되면 HIT에서는 소비자가 포함되는 외부 회로를 통해 전자가 전달됩니다. , 전극의 전기적 중성은 장치 내부 회로의 전해질을 통한 이온을 통한 전하 이동에 의해 유지됩니다.
이미 여기에서 내연 기관의 장점을 볼 수 있습니다. 엔진은 외부 공기의 산소를 사용하여 작동하고 HIT는 음극에 산화제를 운반합니다(여기서는 로켓 엔진과 유사합니다. 거기에도 산소가 있습니다). 연료가 탱크에 부어집니다.) 내연기관에서 2,8kg의 연료를 연소하려면 XNUMXkg의 산소가 필요합니다! 동시에 엔진이 작동함에 따라 가스 탱크는 가벼워지지만 배터리의 무게는 변하지 않습니다.
내연기관과 HIT의 근본적인 유사성은 외부 산소를 산화제로 사용해야 한다는 점을 시사합니다! 그리고 5리터의 휘발유로 100km가 아닌 300km를 주행할 수 있어 환경을 보호하고 연료를 절약할 수 있습니다. 그리고 그러한 HIT가 있는데, 이를 연료전지라고 합니다.
불행하게도 휘발유나 디젤 연료를 사용하는 것은 불가능합니다. 수소, 알코올, 히드라진이 최선의 선택입니다. 그러나 여기에 문제가 있습니다. 최소한 수소는 양극에서 백금 금속으로 만든 값비싼 촉매를 사용하여 작동하도록 만들 수 있지만 다른 연료에는 문제가 있습니다. 에너지 효율이 더 나쁘고 독성 히드라진이 헵틸과 크게 다르지 않습니다. ...
실린더의 수소는 선물이 아니며 작고 어렵다는 점을 덧붙여야 합니다. 그렇기 때문에 연료 배터리는 연료 배터리 없이는 절대 불가능한 곳, 즉 우주, 공기와 무관한 에너지를 사용하는 잠수함에서만 사용됩니다. 물론 연료전지로 구동되는 실증차도 존재하고 오랫동안 있어왔지만 아직 시장에 진출할 조짐은 보이지 않는다.
전기화학자들은 배터리를 개발할 때 활물질을 어떻게 선택하나요?
도박을 하지 않고 공부하는 모든 화학 학생은 이미 3학년이 되면 특정 화학 반응이 진행되는 동안 생산될 수 있는 유용한 작업을 계산할 수 있습니다. 계산은 화학적 열역학을 기반으로 합니다. 계산할 때 가장 잠재적으로 효과적인 화학 원소가 주기율표의 시작 부분에 있으며 그 중 소수가 있다는 것이 분명해졌습니다 (화학자에게만 관심이 있음). 양극 재료 - 수소, 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄; 음극 - 불소, 산소, 염소...
그것은 좋아하지 않는다?
그렇습니다. 이러한 동일한 구성 요소는 직접적으로 또는 화합물의 일부로 로켓에 사용됩니다.
그럼 마술이 시작되죠
연료 배터리에서 외부 산소와 결합된 수소는 휘발유보다 32배 더 많은 0,8kWh/kg을 생산할 수 있지만 이는 단지 서류상에 불과합니다. 연료전지의 전압은 이론적 1,24V 대신 XNUMXV를 초과하지 않으며 이것이 첫 번째 손실입니다.
두 번째 손실은 수소를 운반해야 하는 실린더입니다. 300기압의 압력에서도 리터 실린더에 26g 이하의 수소가 들어갈 수 있습니다. 그리고 실린더가 내용물보다 훨씬 무겁습니다. 극저온 수소 저장도 선물이 아닙니다. 액체 수소의 밀도는 물의 밀도보다 거의 20배 낮고 끓는점은 켈빈 몇 도에 불과합니다.
무엇 향후 계획? 리튬. 원자 질량 7은 상대적으로 접근이 용이하며, 어느 정도 기술을 사용하면 공중에서 작업할 수 있습니다. 그러나 충전되면 필름이나 분말 형태가 아닌 바늘 모양의 수상 돌기 형태로 양극에서 자라므로 배터리 자체에는 사용되지 않습니다. 수상 돌기가 분리막을 뚫고 단락이 발생합니다. 리튬이온 배터리에 사용되는 탄소나 기타 물질에 내장될 수 있습니다.
또한, 보조재료의 질량은 리튬의 질량보다 훨씬 큽니다. 여기에는 배터리의 에너지 용량을 늘리기 위한 예비비가 있습니다. 예를 들어, 세라믹 멤브레인을 사용하는 경우 리튬 금속을 사용하여 단락을 방지할 수 있습니다. 그러나 이러한 멤브레인은 만들기가 엄청나게 어렵고 깨지기 쉬우며 이온 전류를 잘 전도하지 못합니다.
다음 - 베릴륨과 붕소. 첫 번째는 드물고 유독하며 가역적으로 작동하고 싶지 않습니다. 두 번째는 접근 가능하고 독성이 없지만 사용 시 엄청난 기술적 어려움에 직면합니다.
이제 - 음극 재료에 대해.
불소는 끔찍한 독이며, 은과 니켈을 제외한 모든 것을 부식시키며, 반응 생성물(수소와 결합)도 선물이 아닙니다: 유독한 불화수소산. 염소는 일부 배터리에 사용되지만 그다지 좋지 않습니다. 산소는 다른 것보다 더 흥미롭지만 실린더에서는 잠수함과 우주선에서만 당신을 기쁘게 할 수 있습니다. 다른 모든 경우에는 공중에서 발생해야 합니다.
그리고 실제로 일반화된 아연-공기 전지는 아연-망간 전지보다 에너지 강도가 몇 배 더 높습니다. 그러나 이를 기반으로 한 배터리는 원칙적으로 가능하지만 실제로는 누구도 이를 구현할 수 없습니다.
결과는 무엇입니까?
그리고 이는 전기 자동차에 사용할 수 있는 전기화학 시스템의 실제 선택이 적다는 것입니다. 활물질의 유효성 문제 외에도 보관, 가용성, 독성 등의 문제도 있습니다. 적어도 원칙적으로는 이러한 문제가 모두 해결될 수는 없습니다.
물론 배터리는 더 저렴해지고, 비에너지와 전력은 증가하겠지만, 근본적인 돌파구를 기대할 이유는 없습니다. 0,3kWh/kg 이상의 비에너지를 갖는 배터리는 가까운 미래에 등장할 가능성이 낮으며, 가스탱크의 에너지 집약도와의 XNUMX배 격차는 여전히 남을 것입니다.
나가는 길은 어디입니까?
현재 가장 좋은 해결책은 아마도 하이브리드 자동차를 사용하는 것일 것입니다. 내연기관과 결합된 상대적으로 작은 리튬 이온 배터리는 도시 주기에서 약 30%의 연료를 절약하여 이에 비례하여 CO2 배출량을 줄이고 엔진 수명을 연장합니다.
그리고 마지막.
칼린그라드에서는 전기자동차용 리튬이온 배터리의 강력한 생산 시설을 구축할 계획입니다. 그리고 이것은 Rusnano의 아이디어 인 Novosibirsk 근처의 Liotech 공장이 파산 상태에 있고 국내 자동차 산업이 수년 동안 고품질의 저렴한 승용차를 생산하지 않았음에도 불구하고입니다.
새 공장이 전적으로 국내 재료와 기술로 운영될 가능성은 낮습니다. 지금까지 러시아에서 리튬 이온 배터리를 생산하는 기업은 이를 자랑할 수 없습니다.
우리의 가난한 인구가 서둘러 전기 자동차를 구입하기를 바라는 것은 의미가 없습니다. 또한 도시 전기 운송은 생산 예정인 배터리 양을 흡수할 가능성이 낮습니다. 모스크바 교통국장이 가장 비싼 교통 수단이 "Ecobuses"라고 말하면 가난한 Saratov 또는 Syktyvkar에서는 필요하지 않을 것입니다.
이게 뭐죠? 또 다른 컷인가요?
PS
최근 한 기업으로부터 배터리 케이스 생산용 공중합체를 교체하는 방법에 대한 요청을 받았습니다. 제재합니다 선생님... 단순한 공중합체가 없는데 어떤 리튬이온 배터리에 대해 이야기할 수 있을까요? 러시아에서는 생산되지 않는 정교한 장비, 도구, 수십 가지 재료의 거대한 목록이 있습니다. 가능한 유일한 설명은 해당 공장이 아마도 전기 자동차가 아닌 방위 산업을 위해 건설되고 있다는 것입니다. 같은 아래 드론, 예를 들어. 제 생각에는 다른 모든 것은 표지입니다.
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