Lityum-İon Batareya Elektrikli Avtomobili Necə Geri Qaytardı?

1900-cü ildə ABŞ-da avtomobillərin 28 faizi elektrikli idi; lityum-ion batareya nəhayət benzinin əsrlik qələbəsini geri çevirdi.
1900-cü ildə ABŞ-da avtomobillərin 28 faizi elektrikli idi; lityum-ion batareya nəhayət benzinin əsrlik qələbəsini geri çevirdi.

Bu Səhifəni Paylaşın

Lityum-ion batareya, yüksək enerji sıxlığı və azalan mayaəti ilə elektrikli avtomobilin əsrlik məsafə və çəki problemini həll edərək müasir elektrikli avtomobili texniki cəhətdən mümkün edən batareya kimyasıdır. Bu yazı, 1890-cı illərdən 1991-ə uzanan hekayəni və bu inqilabın avtomobili necə yenidən formalaşdırdığını anladır.

Diqqət Çəkənlər

  • 1900-cü ildə ABŞ-dakı avtomobillərin %28-i elektrikli idi; rəqabəti benzin qazandı.
  • İlk kommersiya lityum-ion batareya 1991-ci ildə Sony tərəfindən satışa çıxarıldı.
  • Lityum-ionun kWh başına mayaəti ~9.200 dollardan 78 dollara endi.
  • Tesla Roadster (2008): 393 km EPA məsafəsi, 0-100 km/s 3,9 saniyə.

Elektrikli avtomobil əslində benzindən əvvəlmi başladı?

Bir çox oxucunun güman etmədiyinin əksinə, bəli. Elektrikli avtomobilin tarixi daxili yanma mühərriki ilə demək olar ki, eyni dövrdə başlayır və ilk yarım əsrdə elektrik heç də kənar bir texnologiya deyildi. 1827-1828 arasında Macarıstanlı keşiş Ányos Jedlik ilk elektrik mühərrikini düzəltdi və kiçik bir model avtomobil işlətdi. 1832-1839 arasında Şotlandiyalı Robert Anderson kobud bir elektrikli avtomobil hazırladı; lakin qalvanik hüceyrələr hələ doldurula bilmirdi, yəni vasitə tək istifadəlik bir enerji anbarı ilə hərəkət edirdi. 1837-ci ildə Robert Davidson Aberdində ilk elektrikli lokomotiv prototipini yaratdı; 1841-ci ildəki böyüdülmüş Galvani 6 tonluk yükü saatda 4 mil sürətlə 1,5 mil çəkdi. Dəmir yolu işçiləri işlərini itirmək qorxusu ilə maşını məhv etdi - texnologiyanın üzləşdiyi ilk müqavimət bu qədər erkən tarixdə idi.

Qopma nöqtəsi 1859-cu ildə gəldi: Gaston Planténin qurğuşun-turşu batareyası vasitəyə təkrar doldurula bilən enerji saxlamağı ilk dəfə mümkün etdi. Bu kimya o qədər davamlı çıxdı ki, bu gün hələ də daxili yanma mühərrikli avtomobillərin akkumulyatorlarında istifadə olunur. Thomas Parker 1884-cü il ətrafında İngiltərədə elektrikli tramvayları işə saldı və prototip elektrikli avtomobillər istehsal etdi.

Morrison'dan Jenatzy'yə: ilk qızıl dövr

ABŞ tərəfində istinad nöqtəsi William Morrison'dır. 1890-cı ildə Des Moines, Iowa'da elektrikli avtomobilinə patent müraciəti etdi; vasitə ön çəkişli idi, 4 at gücü istehsal edirdi, 20 mil sürət gedirdi və 24 batareya hüceyrəsi ilə 50 mildən sonra doldurulma tələb edirdi. 1893 Çikaqo Ümumdünya Sərgisində sensasiya yaratdı. Filadelfiyada Salom və Morris 1894-cü ildə Electrobat patentini aldı; 1896-ya gəldikdə iki 1,1 kW mühərrik ilə 25 mil məsafə təklif edirdi və həmin il benzinli Duryea avtomobillərinə qarşı beş millik sprint yarışlarını qazandı.

Rəqəmlər ilk dövrün populyarlığını aydın göstərir: 1900-cü ildə ABŞ-da yoldakı avtomobillərin %28-i elektrikli idi; ilk avtomobil sərgisində nümayiş etdirilən 160 avtomobilin üçdə biri elektrikli idi. Şəhər istifadəsində elektrik real üstünlüklərə malik idi - səssizdi, təmizdi, açar çevrilən kimi işə düşürdü və nadirən sıradan çıxırdı. 1899-da Camille Jenatzy, cüt 25 kW mühərrikli və partinium alüminium ərintisi gövdəli La Jamais Contente 100 km/h və 60 mph hədlərini aşan ilk şəxs oldu. Nyu-Yorkda Electric Vehicle Company akkumulator dəyişmə stansiyasından istifadə edərək 600-dən çox elektrikli taksi işlətdi; 1897-ci ildə Londonda ilk elektrikli taksi xidməti qurulmuşdu.

Benzin niyə qazandı? Elektrikli-benzinli rəqabətin anatomiyası

Elektrikli avtomobilin ilk məğlubiyyəti performans məğlubiyyəti deyil, mühəndis iqtisadiyyatı məğlubiyyəti idi. Çətinləşdirən dörd amil var idi və hamısı ölçüləbiləndi:

  • Maliyyə: elektriklilər benzinlilərdən demək olar iki dəfə bahalı idi və lüks əşya hesab olunurdu. 1908-ci ildə Ford Model T 850 dollar olanda elektriklilərin çoxu ən azı iki qatına satılırdı; 1923-cü ildə Model T 300 dolların altına düşəndə bir çox elektrikli on dəfə bahalı idi.
  • Məsafə və enerji saxlama: ehtiyat benzin qabları ehtiyat akkumulatordan çox daha yüngül idi - problemin mahiyyəti məhz bu kütlə nisbəti idi.
  • İnfrastruktur: elektriksiz kənd yerlərində şarj imkanı yox idi; benzin isə hər yerdə satıla bilən saxlama enerjisi idi.
  • Marş: 1912-ci ildə Charles Kettering-in elektrikli marş mühərriki (ilk Cadillac-da) əl kranını aradan qaldırdı və elektriklilərin əsas istifadə üstünlüyünü məhv etdi.

Bir cümlə ilə xülasə etsək, qurğuşun-turşu akkumulyatorunun enerji sıxlığı avtomobilin kütlə və məsafə tələbini qarşılaya bilmirdi. Detroit Electric yenə də 1907-1939 arasında 35.000-dən çox avtomobil istehsal edə bildi; Henry Ford-un həyat yoldaşı Clara Ford 1908-1914 arasında bir Detroit Electric istifadə etdi. İngiltərədə elektrikli süd paylama vasitələri olan "milk float"lar 1980-ci illərə qədər işlədi və ölkə 20-ci əsrin böyük hissəsində dünyanın ən böyük elektrikli yol nəqliyyatı istifadəçisi oldu - amma bunlar dar vəzifəli vasitələr idi, ümumi təyinatlı avtomobil deyildi.

İyirminci əsrin ara cəhdləri: akkumulyator nə qədər ağır getsə

1920-ci illərdən etibarən elektrikli avtomobil marjinallaşdı amma tamamilə ölmədi; problemin hər zaman akkumulyatorda olduğu hər cəhddə bir daha sübut olundu. Yaponiyada 1947-ci il tarixli Tama, qurğuşun-turşu akkumulyatorla 20 mph sürət və 40 mil məsafə ilə taksi vəzifəsi gördü. Henney Kilowatt (1959-1960) gərginliyi 36 V-dan 72 V-a yüksəldərək 60 mph sürət və 60 mil məsafəyə çatdı; yenə də yalnız təxminən 100 şassi istehsal olundu, 47 avtomobil satıldı.

GM-in Electrovair II təcrübəsi (1966) vəziyyətin ciddiyyətini göstərən bir məlumat nöqtəsidir: gümüş-sink akkumulyatorlar, 532 V sistem gərginliyi, 115 hp və 40-80 mil məsafə - amma akkumulyatorlar yalnız 100 şarj dövrü dözürdü və paket o ilki pulu ilə 160.000 dollarə başa gəlirdi. 1971-72-də Ay İnspektoru Vasitəsi (LRV) fərqli bir hədəfə, son etibarlılığa xidmət etdi: GM Delco mühərrikləri və şarj olunmayan gümüş-sink akkumulyatorlarla, 38 milyon dollarlıq bir maliyyə ilə. 1973 OPEC embarqosundan sonra maraq yenidən canlandı: 1974-də satışa çıxan Citicar 2,5 hp və təxminən 25 mph ilə təvazökar idi amma ümumi 4.444 ədədlik istehsalı onu 2013-cü ilə qədər II. Dünya Müharibəsindən sonrakı ABŞ-ın ən böyük elektrikli avtomobil istehsalçısı etdi. 1977-ci il tarixli GM Electrovette prototipləri qurşun-turşulu idi, 30 mph sürətlə 50 mil gedirdi; benzin qiyməti gözləntiləri doğrulamayınca rafa qaldırıldı.

GM EV1: batareya problemi ilə erkən üzlaşan avtomobil

1990-cı illərdə Kaliforniyanın sıfır emissiyalı avtomobil tələbi müasir dövrün ilk ciddi avtomobil istehsalçısı EV-sini doğurdu. GM, Impact konseptindən istehsala keçdi və EV1 kirayəyə 1996-97-ci illərdə verməyə başladı; kirayəçilərə 1997-ci ildə çatdı və ümumilikdə təxminən 1.000 ədəd kirayəyə verildi. İlk model qurşun-turşu batareyalı idi; sonradan gələn nikel-metal hidrid (NiMH) seçimi 70-160 mil aralığında məsafə təklif edirdi - dövrün kimyası daxilində nəzərə çarpan bir sıçrayış idi, amma kifayət deyildi.

Son avtomobillər 1999-cu ildə istehsal edildi; GM 2003-cü ildə proqramı yüksək istehsal xərci və kiçik bazar əsası ilə ləğv etdi, kirayələri sonlandırdı, avtomobilləri geri aldı və əksəriyyətini məhv etdi. Vətəndaş etirazları yaşandı; Francis Ford Coppola avtomobilini əlində saxlaya bilən azsaylı şəxslərdən biri idi. EV1-in sonunun dəqiq nə ilə müəyyənləşdiyi bu gün də mübahisə mövzusudur: geniş yayılmış rəvayət xərc və bazar ölçüsünü önə çəkirsə, alternativ bir oxunuş GM-in 1992-ci il maliyyə böhranını və rəhbərlik dəyişikliyini (Jack Smith-in CEO-luğu) mərkəzə qoyur. Ortac nöqtə budur: qurşun-turşu və NiMH kimyaları bir avtomobili gəlirli və praktik edəcək enerji sıxlığına çatmırdı. Əskik olan hissə lityum-ion idi.

Lityum-ion inqilabı necə başladı?

Lityum-ion batareyanın əsas tədqiqatı 1970-ci illərdə dərc edildi; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham və Akira Yoshino bu işə görə 2019 Nobel Kimya Mükafatını bölüşdülər. Kommersiya sıçrayışı 1991-ci ildə gəldi: Sony, Yoshino-nun dizaynından istifadə edərək dünyanın ilk təkrar doldurulan lityum-ion batareyalarını istehsal edib satmağa başladı - "lityum-ion" adını da bu məhsul aldı. Batareya əvvəl kameralara, sonra digər istehlak elektronikasına daxil oldu; elektrikli avtomobil hələ xəritədə yox idi, amma onu mümkün edəcək enerji anbarı artıq seriya istehsalında idi.

Başlanğıc ölçüləri texnologiyanın nə üçün üstünlük qazandığını rəqəmlərlə izah edir. İlk kommersiya hüceyrələri ~200 Wh/L həcmi enerji sıxlığı təklif edirdi - müasir sistemlərin demək olar iki qatı. Qravimetrik sıxlıq 100-120 Wh/kg bandından 300 Wh/kg üzərinə çıxdı; satışa təqdim edildiyi gündən bu yana üç onillikdə həcmi sıxlıq üç qat artdı. Əsl təsirli əyri isə xərcdədir: lityum-ion batareyalar kWh başına ~9.200 dollardan 78 dollara enərək %99-dan çox düşüş göstərdi. Texnologiya keçidlərinin əksəriyyəti ya performans verir, ya xərc azalması; lityum-ion hər ikisini eyni anda etdi və bu, bir avtomobili dəyişməyə bəs edir.

Ölçüt1991 (ilk kommersiya hüceyrələri)Onilliklər sonra
Xərc (kWh başına)~9.200 $78 $
Həcmi enerji sıxlığı~200 Wh/LÜç qat artdı
Qravimetrik sıxlıq100-120 Wh/kg300 Wh/kg üzəri
İlk avtomagistral qanuni EV istifadəçisiNissan Altra EV (1998)

Laboratoriyadan avtomobilə: tzero-dan Tesla Roadster-a uzanan xətt

İstehlak elektronikası lityum-ion hücreləri əlçatan etdikdə, avtomobil mühəndisləri bunu ilk dəfə edənlərdən oldu. 1997-ci ildə Alan Cocconi'nin AC Propulsion şirkəti tzero modelini təqdim etdi: 150 kVt (201 at gücü) və qurğuşun-turşu batareya ilə. Martin Eberhard lityum-ionlu bir tzero sifariş etdi; nəticə 0–60 mil/saat 3,7 saniyə idi - təxmini qiyməti isə 220.000 dollar idi. Bu prototip, aşağı həcmli, lakin yüksək qiymətli lityum-ion idman avtomobilinin bazarlı olduğunun sübutu idi.

2003-cü ildə Eberhard və Marc Tarpenning Tesla Motors-u qurdular; Elon Musk əvvəlcə AC Propulsion-ı istehsal etməyə inandırmağa çalışdı, sonra Tesla-ya investisiya etdi. 2008-ci ildə Tesla Roadster istehsalı başladı: lityum-ion batareya istifadə edən dünyanın ilk seriya istehsalı elektrikli idman avtomobili. Birinci nəsil AC Propulsion lisenziyalı güc sistemindən istifadə edirdi, Lotus Elise komponentləri üzərində qurulmuşdu. Texniki göstərici belə idi:

  • EPA məsafəsi: 244 mil (393 km) - 200 millik məsafəni göstərən ilk istehsal vasitələrindən biri.
  • 0–100 km/saat: 3,9 saniyə; 288 at gücü.
  • Paket: 53 kVt-saat lityum-ion.
  • İstehsal: 2008–2012 arasında 2.400-dən çox ədəd; 2010 qiyməti 109.000 $.
  • Davamlılıq: orta paketin 100.000 mildən sonra başlanğıc tutumunun %80–85-ini saxlaması gözlənilirdi.

Roadster-in əsl töhfəsi texnologiya deyil, sübut oldu: lityum-ion paketlə real məsafə, real performans və məqbul batareya ömrü eyni vasitədə bir yerdə yaşaya bilirdi. 2011-ci ildə Nissan Leaf, xüsusi platformalı ilk böyük istehsalçı EV-si olaraq 24,0 kVt-saat lityum-ion paketlə yola çıxdı və yanvar 2018-də 300.000 satışı aşan tarixin ən çox satılan tam-elektrikli vasitəsi oldu; bu rekordu sonradan Tesla Model 3 ələ keçirdi. EV1-dən qalan mühəndislik təcrübəsi isə Chevrolet Volt və Bolt xətlərində yaşamağa davam etdi.

Dəyişim bu gün haradadır?

Bugünün 10 milyon elektrikli aracı, 1991'de bir kamera bataryasıyla başlayan zincirin uzantısıdır.

Lityum-ionun avtomobil sənayesini yenidən qurması ölçü ilə ölçülür: 2020-ci ilin sonuna qədər yüngül sinif şəbəkəli elektrikli avtomobillərin kumulyativ satışı 10 milyon ədədi aşdı. Mayya dərəcəsi aşağı düşməyə davam edir - batareya paketi qiymətlərinin 2026-cı ilə qədər 80 $/kWh ətrafına enməsi gözlənilir; 2025-ci ildə LFP kimyalı paketlər alternativ kimyalara görə kWh başına orta hesabla %40-dan çox ucuzdur. Devrrimin ilk bölməsini lityum-ion yazdı; növbəti bölmənin bərk cisimli (solid-state) batareyalarla yazılıb-yazılmayacağı isə açıq mühəndislik sualı kimi ortada durur.

Nəticə: avadanlıq devrimi bir bazar devrimini necə mümkün etdi?

Elektrikli avtomobil 1900-cü ildə bazar payına malik idi, lakin batareyası bu payı qoruya bilmədi; GM EV1 məhsulu istehsal etdi, lakin batareyası gəlirliliyi daşıya bilmədi. Lityum-ion hər iki həddi keçdi: enerji sıxlığı məsafəni, mayya dərəcəsi qiyməti həll etdi. Tesla Roadster bu iki əyrinin kəsişdiyi ilk avtomobil idi; bugünkü 10 milyonluq park, 1991-ci ildə bir kamera batareyası ilə başlayan zəncirin davamıdır. Avadanlıq hazırlandı, bazar onu izlədi - sıralama bu istiqamətdə idi və əksi heç vaxt olmadı.

Mənbələr