Την ερχόμενη Τετάρτη, 24 Νοεμβρίου, το τελευταίο στρογγυλό τραπέζι του Driving into the Future θα συζητήσει πώς μπορεί να μοιάζει το μέλλον της καναδικής παραγωγής μπαταριών. Είτε είστε αισιόδοξος - πιστεύετε πραγματικά ότι όλα τα αυτοκίνητα θα είναι ηλεκτρικά μέχρι το 2035 - είτε πιστεύετε ότι δεν θα φτάσουμε σε αυτόν τον φιλόδοξο στόχο, τα αυτοκίνητα με μπαταρίες αποτελούν σημαντικό μέρος του μέλλοντός μας. Εάν ο Καναδάς θέλει να είναι μέρος αυτής της ηλεκτρικής επανάστασης, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να γίνουμε ο κορυφαίος κατασκευαστής συστημάτων ισχύος αυτοκινήτων στο μέλλον. Για να δείτε πώς είναι το μέλλον, παρακολουθήστε την τελευταία στρογγυλή τράπεζα για την κατασκευή μπαταριών για εμάς στον Καναδά αυτή την Τετάρτη στις 11:00 π.μ. Ανατολική ώρα.
Ξεχάστε τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Το ίδιο ισχύει για όλη τη διαφημιστική εκστρατεία σχετικά με τις ανόδους πυριτίου. Ακόμη και η περίφημη μπαταρία αλουμινίου-αέρα που δεν μπορεί να φορτιστεί στο σπίτι δεν μπορεί να ταρακουνήσει τον κόσμο των ηλεκτρικών οχημάτων.
Τι είναι μια δομική μπαταρία; Λοιπόν, αυτή είναι μια καλή ερώτηση. Ευτυχώς για μένα, που δεν θέλω να προσποιούμαι ότι μπορεί να μην έχω εμπειρία μηχανικού, η απάντηση είναι απλή. Τα τρέχοντα ηλεκτρικά αυτοκίνητα τροφοδοτούνται από μπαταρίες που είναι εγκατεστημένες στο αυτοκίνητο. Ω, βρήκαμε έναν νέο τρόπο για να κρύψουμε την ποιότητά τους, ο οποίος είναι να χτίσουμε όλες αυτές τις μπαταρίες ιόντων λιθίου στο πάτωμα του πλαισίου, δημιουργώντας μια πλατφόρμα «skateboard» που είναι πλέον συνώνυμη με τη σχεδίαση EV. Αλλά εξακολουθούν να είναι χωριστά από το αυτοκίνητο. Ένα πρόσθετο, αν θέλετε.
Οι δομικές μπαταρίες ανατρέπουν αυτό το παράδειγμα φτιάχνοντας ολόκληρο το πλαίσιο κατασκευασμένο από στοιχεία μπαταρίας. Σε ένα φαινομενικά ονειρικό μέλλον, όχι μόνο το φέρον δάπεδο θα είναι-αντί να περιέχει μπαταρίες, αλλά ορισμένα μέρη του αμαξώματος-κολώνες Α, οροφές, ακόμη και, όπως έχει δείξει ένα ερευνητικό ίδρυμα, είναι δυνατό, φίλτρο αέρα δωμάτιο υπό πίεση - όχι μόνο εξοπλισμένο με μπαταρίες, αλλά στην πραγματικότητα αποτελείται από μπαταρίες. Σύμφωνα με τα λόγια του μεγάλου Marshall McLuhan, το αυτοκίνητο είναι μπαταρία.
Λοιπόν, αν και οι σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου φαίνονται υψηλής τεχνολογίας, είναι βαριές. Η ενεργειακή πυκνότητα των ιόντων λιθίου είναι πολύ μικρότερη από αυτή της βενζίνης, επομένως για να επιτευχθεί η ίδια εμβέλεια με τα οχήματα ορυκτών καυσίμων, οι μπαταρίες στα σύγχρονα EV είναι πολύ μεγάλες. Πολύ μεγάλο.
Το πιο σημαντικό είναι ότι είναι βαριές. Όπως βαρύ σε «μεγάλο φορτίο». Ο βασικός τύπος που χρησιμοποιείται επί του παρόντος για τον υπολογισμό της ενεργειακής πυκνότητας μιας μπαταρίας είναι ότι κάθε κιλό ιόντων λιθίου μπορεί να παράγει περίπου 250 watt/h ηλεκτρισμού. Ή στον κόσμο των συντομογραφιών, οι μηχανικοί προτιμούν, 250 Wh/kg.
Κάντε λίγα μαθηματικά, μια μπαταρία 100 kWh είναι σαν ένα Tesla συνδεδεμένο σε μπαταρία Model S, που σημαίνει ότι όπου κι αν πάτε, θα σύρετε περίπου 400 κιλά μπαταρίας. Αυτή είναι η καλύτερη και πιο αποτελεσματική εφαρμογή. Για εμάς τους απλούς, ίσως είναι πιο ακριβές να υπολογίσουμε ότι μια μπαταρία 100 kWh ζυγίζει περίπου 1.000 λίβρες. Όπως μισός τόνος.
Τώρα φανταστείτε κάτι σαν το νέο Hummer SUT, το οποίο ισχυρίζεται ότι έχει ενσωματωμένη ισχύ έως και 213 kWh. Ακόμα κι αν ο στρατηγός βρει κάποιες καινοτομίες στην αποτελεσματικότητα, το κορυφαίο Hummer θα εξακολουθεί να σέρνει περίπου έναν τόνο μπαταριών. Ναι, θα οδηγήσει μακρύτερα, αλλά λόγω όλων αυτών των πρόσθετων πλεονεκτημάτων, η αύξηση της εμβέλειας δεν είναι ανάλογη με τον διπλασιασμό της μπαταρίας. Φυσικά, το φορτηγό του πρέπει να έχει έναν πιο ισχυρό — δηλαδή λιγότερο αποδοτικό — κινητήρα για να ταιριάζει. Η απόδοση ελαφρύτερων εναλλακτικών λύσεων μικρότερης εμβέλειας. Όπως θα σας πει κάθε μηχανικός αυτοκινήτων (είτε για ταχύτητα είτε για οικονομία καυσίμου), το βάρος είναι ο εχθρός.
Εδώ μπαίνει η δομική μπαταρία. Κατασκευάζοντας αυτοκίνητα από μπαταρίες αντί να τα προσθέτουμε σε υπάρχουσες κατασκευές, το μεγαλύτερο μέρος του προστιθέμενου βάρους εξαφανίζεται. Σε κάποιο βαθμό —δηλαδή, όταν όλα τα δομικά στοιχεία μετατρέπονται σε μπαταρίες— η αύξηση της εμβέλειας πλεύσης του αυτοκινήτου δεν οδηγεί σε σχεδόν καμία απώλεια βάρους.
Όπως θα περίμενες -επειδή ξέρω ότι κάθεσαι εκεί και σκέφτεσαι «Τι ωραία ιδέα!» - υπάρχουν εμπόδια σε αυτή την έξυπνη λύση. Το πρώτο είναι να κατακτήσετε την ικανότητα κατασκευής μπαταριών από υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο ως άνοδοι και κάθοδοι για οποιαδήποτε βασική μπαταρία, αλλά και ως αρκετά ισχυρές-και πολύ ελαφριές! -Μια κατασκευή που μπορεί να υποστηρίξει ένα αυτοκίνητο δύο τόνων και τους επιβάτες του και ελπίζουμε ότι θα είναι ασφαλές.
Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα δύο κύρια εξαρτήματα της πιο ισχυρής δομικής μπαταρίας μέχρι σήμερα, που κατασκευάστηκε από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers και επενδύθηκε από το KTH Royal Institute of Technology, τα δύο πιο διάσημα πανεπιστήμια μηχανικής της Σουηδίας - είναι οι ίνες άνθρακα και το αλουμίνιο. Ουσιαστικά, οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως αρνητικό ηλεκτρόδιο. το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί φύλλο αλουμινίου επικαλυμμένο με φωσφορικό σίδηρο λιθίου. Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα επίσης άγουν τα ηλεκτρόνια, δεν υπάρχει ανάγκη για βαρύ ασήμι και χαλκό. Η κάθοδος και η άνοδος διατηρούνται χωριστά από μια μήτρα γυάλινων ινών που περιέχει επίσης έναν ηλεκτρολύτη, επομένως όχι μόνο μεταφέρει ιόντα λιθίου μεταξύ των ηλεκτροδίων, αλλά και κατανέμει το δομικό φορτίο μεταξύ των δύο. Η ονομαστική τάση κάθε τέτοιας κυψέλης μπαταρίας είναι 2,8 βολτ και όπως όλες οι τρέχουσες μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, μπορεί να συνδυαστεί για να παράγει τα 400 V ή ακόμα και τα 800 V που είναι κοινά στα καθημερινά ηλεκτρικά οχήματα.
Αν και αυτό είναι ένα σαφές άλμα, ακόμη και αυτές οι κυψέλες υψηλής τεχνολογίας δεν είναι καθόλου έτοιμα για την πρώτη στιγμή. Η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι μόνο αμελητέες 25 βατώρες ανά χιλιόγραμμο και η δομική τους ακαμψία είναι 25 gigapascals (GPa), η οποία είναι μόνο λίγο ισχυρότερη από την ίνα γυαλιού του πλαισίου. Ωστόσο, με χρηματοδότηση από τη Σουηδική Εθνική Διαστημική Υπηρεσία, η τελευταία έκδοση χρησιμοποιεί πλέον περισσότερες ίνες άνθρακα αντί για ηλεκτρόδια από φύλλο αλουμινίου, τα οποία οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι έχουν ακαμψία και ενεργειακή πυκνότητα. Στην πραγματικότητα, αυτές οι πιο πρόσφατες μπαταρίες άνθρακα/άνθρακα αναμένεται να παράγουν έως και 75 watt-hh ηλεκτρικής ενέργειας ανά κιλό και συντελεστή Young 75 GPa. Αυτή η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να εξακολουθεί να υστερεί σε σχέση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά η δομική της ακαμψία είναι πλέον καλύτερη από το αλουμίνιο. Με άλλα λόγια, η διαγώνια μπαταρία του πλαισίου του ηλεκτρικού οχήματος που αποτελείται από αυτές τις μπαταρίες μπορεί να είναι δομικά τόσο ισχυρή όσο η μπαταρία από αλουμίνιο, αλλά το βάρος θα μειωθεί σημαντικά.
Η πρώτη χρήση αυτών των μπαταριών υψηλής τεχνολογίας είναι σχεδόν σίγουρα τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Ο καθηγητής του Chalmers, Leif Asp, δήλωσε: «Σε λίγα χρόνια, είναι απολύτως δυνατό να κατασκευαστεί ένα smartphone, ένα φορητό υπολογιστή ή ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που έχει μόνο το μισό βάρος του σήμερα και είναι πιο συμπαγές». Ωστόσο, όπως τόνισε ο υπεύθυνος του έργου, «Πραγματικά περιοριζόμαστε μόνο από τη φαντασία μας εδώ».
Η μπαταρία δεν είναι μόνο η βάση των σύγχρονων ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά και ο πιο αδύναμος κρίκος της. Ακόμη και η πιο αισιόδοξη πρόβλεψη μπορεί να δει μόνο διπλάσια από την τρέχουσα ενεργειακή πυκνότητα. Τι γίνεται αν θέλουμε να έχουμε την απίστευτη αυτονομία που έχουμε υποσχεθεί όλοι μας — και φαίνεται ότι κάποιος κάθε εβδομάδα υπόσχεται 1.000 χιλιόμετρα ανά φόρτιση; — Θα πρέπει να κάνουμε καλύτερα από την προσθήκη μπαταριών στα αυτοκίνητα: θα πρέπει να φτιάχνουμε αυτοκίνητα από μπαταρίες.
Οι ειδικοί λένε ότι η προσωρινή επισκευή ορισμένων κατεστραμμένων διαδρομών, συμπεριλαμβανομένου του αυτοκινητόδρομου Coquihalla, θα διαρκέσει αρκετούς μήνες.
Η Postmedia δεσμεύεται να διατηρεί ένα ενεργό αλλά ιδιωτικό φόρουμ συζητήσεων και ενθαρρύνει όλους τους αναγνώστες να μοιραστούν τις απόψεις τους για τα άρθρα μας. Μπορεί να χρειαστεί έως και μία ώρα για να εμφανιστούν τα σχόλια στον ιστότοπο. Σας ζητάμε να διατηρήσετε τα σχόλιά σας σχετικά και με σεβασμό. Έχουμε ενεργοποιήσει τις ειδοποιήσεις μέσω email - εάν λάβετε μια απάντηση σχολίου, εάν ένα νήμα σχολίων που ακολουθείτε ενημερωθεί ή εάν ακολουθήσετε το σχόλιο ενός χρήστη, θα λάβετε τώρα ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Επισκεφτείτε τις Οδηγίες κοινότητας για περισσότερες πληροφορίες και λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο προσαρμογής των ρυθμίσεων ηλεκτρονικού ταχυδρομείου.