Jak bateria litowo-jonowa przywróciła do życia samochód elektryczny?

Akumulator litowo-jonowy dzięki dużej gęstości energii i spadającym kosztom rozwiązał stuletni problem zasięgu i masy samochodu elektrycznego, czyniąc nowoczesny pojazd elektryczny technicznie możliwym. Ten artykuł opowiada historię sięgającą lat 90. XIX wieku aż po rok 1991 i o tym, jak ta rewolucja na nowo ukształtowała samochód.

Czy samochód elektryczny właściwie zaczął się przed benzynowym?

Wbrew temu, czego przypuszcza wielu czytelników - tak. Historia samochodu elektrycznego zaczyna się niemal w tej samej epoce co silnik spalinowy, a przez pierwsze pół wieku elektryczność wcale nie była technologią z obrzeży. W latach 1827-1828 węgierski duchowny Ányos Jedlik zbudował pierwszy silnik elektryczny i uruchomił mały model samochodu. W latach 1832-1839 Szkot Robert Anderson opracował prymitywny pojazd elektryczny; jednak ogniw galwanicznych nie można było jeszcze ładować, czyli pojazd poruszał się z jednorazowym magazynem energii. W 1837 roku Robert Davidson zbudował w Aberdeen prototyp pierwszej lokomotywy elektrycznej; powiększony Galvani z 1841 roku ciągnął ładunek o masie 6 ton z prędkością 4 mil na godzinę na dystansie 1,5 mili. Kolejarze, bojąc się o utratę pracy, zniszczyli maszynę - tak wczesna była to pierwsza opór, jaki spotkała ta technologia.

Punkt zwrotny przyszedł w 1859 roku: akumulator ołowiowo-kwasowy Gastona Plantégo po raz pierwszy umożliwił pojazdowi magazynowanie ładowalnej energii. Ta chemia okazała się na tyle trwała, że do dziś jest używana w akumulatorach pojazdów z silnikiem spalinowym. Około 1884 roku Thomas Parker uruchomił w Anglii elektryczne tramwaje i produkował prototypowe samochody elektryczne.

Od Morrisona do Jenatzy'ego: pierwsza złota era

Punktem odniesienia po stronie USA jest William Morrison. W 1890 roku złożył w Des Moines w stanie Iowa wniosek patentowy na swój pojazd elektryczny; pojazd miał napęd na przednie koła, generował 4 konie mechaniczne, osiągał prędkość 20 mph, a z 24 ogniwami akumulatora wymagał ładowania po 50 milach. Na Światowej Wystawie w Chicago w 1893 roku wywołał sensację. W Filadelfii Salom i Morris otrzymali w 1894 roku patent na Electrobat; Do 1896 roku, z dwoma silnikami o mocy 1,1 kW, osiągał 25 mil, a w tym samym roku wygrał sprinterskie wyścigi na dystansie pięciu mil z benzynowym Duryea.

Liczby jasno pokazują popularność pierwszej ery: W 1900 roku w USA 28% samochodów na drogach było elektrycznych; jedna trzecia z 160 samochodów wystawionych na pierwszym salonie motoryzacyjnym była elektryczna. W użytkowaniu miejskim elektryczność miała realne przewagi - była cicha, czysta, ruszała po przekręceniu kluczyka i rzadko się psuła. W 1899 roku Camille Jenatzy, za kierownicą La Jamais Contente z podwójnym silnikiem o mocy 25 kW i nadwoziem ze stopu aluminium partinium, jako pierwszy przekroczył bariery 100 km/h i 60 mph. W Nowym Jorku Electric Vehicle Company obsługiwało ponad 600 elektrycznych taksówek korzystając ze stacji wymiany baterii; W 1897 roku w Londynie uruchomiono pierwszą usługę elektrycznych taksówek.

Dlaczego benzyna wygrała? Anatomia rywalizacji elektryków z autami benzynowymi

Pierwsza porażka samochodu elektrycznego nie była porażką wydajności, lecz porażką ekonomii inżynieryjnej. Były cztery decydujące czynniki i wszystkie dawały się zmierzyć:

• Koszt: samochody elektryczne były prawie dwa razy droższe od benzynowych i uchodziły za towar luksusowy. W 1908 roku Ford Model T kosztował 850 dolarów, podczas gdy większość elektryków sprzedawano co najmniej za dwukrotność tej kwoty; gdy w 1923 roku Model T spadł poniżej 300 dolarów, wiele aut elektrycznych było dziesięć razy droższych.
• Zasięg i magazynowanie energii: zapasowy kanister benzyny był znacznie lżejszy niż zapasowa bateria - istotą problemu była właśnie ta proporcja masy.
• Infrastruktura: na zelektryfikowanych terenach wiejskich nie było możliwości ładowania; benzyna natomiast była magazynowaną energią, którą można było sprzedać wszędzie.
• Rozrusznik: W 1912 roku elektryczny rozrusznik Charlesa Ketteringa (w pierwszym Cadillaczie) wyeliminował korbę ręczną i zniweczył podstawową przewagę aut elektrycznych w użytkowaniu.

Podsumowując jednym zdaniem: gęstość energetyczna akumulatora ołowiowo-kwasowego nie była w stanie sprostać wymaganiom samochodu w zakresie masy i zasięgu. Detroit Electric mimo to wyprodukowało w latach 1907-1939 ponad 35 000 pojazdów; żona Henry'ego Forda, Clara Ford, w latach 1908-1914 użytkowała Detroit Electric. W Anglii elektryczne pojazdy do dowozu mleka, tzw. "milk floaty", pracowały do lat 80., a kraj miał 20. wieku był największym na świecie użytkownikiem elektrycznych pojazdów drogowych - ale były to pojazdy o wąskim, wyspecjalizowanym przeznaczeniu, a nie samochody ogólnego przeznaczenia.

Próbne eksperymenty XX wieku: im cięższa bateria, tym gorzej

Od lat 20. samochód elektryczny stał się marginesowy, ale całkiem nie wymarł; w każdej próbie potwierdzano na nowo, że problem zawsze leżał w baterii. W Japonii model Tama z 1947 roku, z akumulatorem ołowiowo-kwasowym, pełnił funkcję taksówki z prędkością 20 mph i zasięgiem 40 mil. Henney Kilowatt (1959-1960), podnosząc napięcie z 36 V do 72 V, osiągnął prędkość 60 mph i zasięg 60 mil; mimo to wyprodukowano jedynie około 100 podwozi, a sprzedano 47 aut.

Eksperyment GM-a Electrovair II (1966) to punkt danych dobrze pokazujący powagę sytuacji: akumulatory srebrowo-cynkowe, napięcie układu 532 V, moc 115 hp i zasięg 40-80 mil - ale baterie wytrzymywały jedynie 100 cykli ładowania, a paket kosztował w tamtych latach równowartość 160 000 dolarów. W latach 1971-72 LRV (pojazd inspekcyjny księżycowy) służył innemu celowi - ostatecznej niezawodności: z silnikami GM Delco i nieładowalnymi akumulatorami srebrno-cynkowymi, przy koszcie 38 milionów dolarów. Po embargu OPEC w 1973 roku zainteresowanie odżyło: wpuszczony do sprzedaży w 1974 roku Citicar był skromny - 2,5 KM i około 25 mph - ale łączna produkcja 4444 egzemplarzy uczyniła go do 2013 roku największym producentem pojazdów elektrycznych w USA od czasu II. przyszłości największym producentem pojazdów elektrycznych w USA po II wojnie światowej. Prototypy GM Electrovette z 1977 roku miały akumulatory ołowiowo-kwasowe i z prędkością 30 mph zapewniały zasięg 50 mil; gdy oczekiwania dotyczące cen benzyny się nie spełniły, trafiły na półkę.

GM EV1: pojazd, który wcześnie zmierzył się z problemem baterii

W latach 90. kalifornijski obowiązek pojazdów zeroemisyjnych powołał do życia pierwszą poważną fabryczna EV współczesnej epoki. GM przeszło od konceptu Impact do produkcji i w latach 1996-97 rozpoczęło wynajem EV1; dostawy do najemców ruszyły w 1997 roku, a łącznie wynajęto około 1000 egzemplarzy. Pierwszy model miał akumulator ołowiowo-kwasowy; późniejsza opcja niklowo-metalowo-wodorkowa (NiMH) oferowała zasięg 70-160 mil - był to zauważalny skok w obrębie ówczesnej chemii, ale niewystarczający.

Ostatnie auta wyprodukowano w 1999 roku; GM w 2003 roku anulowało program z powodu wysokich kosztów produkcji i małego rynku, wygasło leasingi, odebrało pojazdy i większość z nich zniszczyło. Doszło do protestów obywatelskich; Francis Ford Coppola był jedną z nielicznych osób, którym udało się zatrzymać swoje auto. Co dokładnie zdecydowało o losie EV1, do dziś budzi dyskusje: popularna narracja podkreśla koszty i wielkość rynku, natomiast alternatywna interpretacja stawia w centrum kryzys finansowy GM z 1992 roku i zmianę kierownictwa (prezesurę Jacka Smitha). Wspólny mianownik jest taki: chemie ołowiowo-kwasowa i NiMH nie osiągały gęstości energii, która uczyniłaby samochód rentownym i praktycznym. Brakującym elementem był litowo-jonowy.

Jak rozpoczęła się rewolucja litowo-jonowa?

Podstawowe badania nad akumulatorem litowo-jonowym opublikowano w latach 70.; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino podzielili się za te prace Nagrodą Nobla z chemii w 2019 roku. Przełom komercyjny nastąpił w 1991 roku: Sony, wykorzystując projekt Yoshino, rozpoczęło produkcję i sprzedaż pierwszych na świecie akumulatorów litowo-jonowych - to właśnie ten produkt otrzymał nazwę "litowo-jonowy". Akumulator trafił najpierw do aparatów, potem do innej elektroniki użytkowej; samochód elektryczny nie był jeszcze na mapie, ale magazyn energii, który miał go umożliwić, był już w produkcji seryjnej.

Parametry początkowe liczbami wyjaśniają, dlaczego ta technologia zyskała przewagę. Pierwsze komercyjne ogniwa oferowały gęstość energii objętościowej około 200 Wh/L - prawie dwukrotność ówczesnych systemów. Gęstość grawimetryczna wzrosła z przedziału 100-120 Wh/kg do ponad 300 Wh/kg; od dnia wprowadzenia do sprzedaży gęstość objętościowa potroiła się na dekadę. Najbardziej uderzająca jest jednak krzywa cen: akumulatory litowo-jonowe staniały z około 9200 dolarów za kWh do 78 dolarów - spadek o ponad 99%. Większość przejść technologicznych daje albo wydajność, albo spadek kosztów; litowo-jonowy zapewnił jedno i drugie jednocześnie, a to wystarczy, by zmienić świat.

Z laboratorium do samochodu: linia sięgająca od tzero do Tesli Roadster

Gdy ogniwa litowo-jonowe stały się dostępne w elektronice użytkowej, inżynierowie samochodowi byli wśród pierwszych, którzy to zauważyli. W 1997 roku firma AC Propulsion Alana Cocconiego zaprezentowała tzero: 150 kW (201 KM) z akumulatorem kwasowo-ołowiowym. Martin Eberhard zamówił tzero z ogniwami litowo-jonowymi; wynik to 0-60 mph w 3,7 sekundy, a szacowany koszt wynosił 220 000 dolarów. Ten prototyp był dowodem na to, że litowo-jonowy samochód sportowy o niskiej produkcji, ale wysokiej cenie, może być rynkowym sukcesem.

W 2003 roku Eberhard i Marc Tarpenning założyli Tesla Motors; Elon Musk najpierw próbował przekonać AC Propulsion do podjęcia produkcji, a potem zainwestował w Teslę. W 2008 roku rozpoczęła się produkcja Tesla Roadster: pierwszego seryjnie produkowanego elektrycznego samochodu sportowego z akumulatorem litowo-jonowym. Pierwsza generacja korzystała z układu napędowego na licencji AC Propulsion i była budowana na komponentach Lotusa Elise. Obraz techniczny był następujący:

• Zasięg EPA: 244 mile (393 km) - jeden z pierwszych pojazdów produkcyjnych pokazujących zasięg 200 mil.
• 0-100 km/h: 3,9 sekundy; 288 KM.
• Pakiet: litowo-jonowy o pojemności 53 kWh.
• Produkcja: ponad 2400 egzemplarzy w latach 2008-2012; cena w 2010 roku wynosiła 109 000 $.
• Trwałość: oczekiwano, że średni paket zachowa 80-85% pierwotnej pojemności po 100 000 milach.

Prawdziwym wkładem Roadstera nie była technologia, lecz dowód: z litowo-jonowym pakietem realny zasięg, realna wydajność i rozsądna żywotność akumulatora mogły współistnieć w jednym pojeździe. W 2011 roku Nissan Leaf, jako pierwszy EV dużego producenta z własną platformą, wyruszył na drogi z litowo-jonowym pakietem 24,0 kWh i w styczniu 2018 roku przekroczył 300 000 sprzedanych sztuk, stając się najlepiej sprzedającym się w pełni elektrycznym pojazdem w historii; rekord ten później przejął Tesla Model 3. Doświadczenie inżynieryjne pozostałe po EV1 żyło dalej w liniach Chevrolet Volt i Bolt.

Gdzie stoi ta transformacja dzisiaj?

Przekształcenie przemysłu motoryzacyjnego przez litowo-jon mierzy się skalą: do końca 2020 roku łączna sprzedaż lekkich pojazdów elektrycznych typu plug-in przekroczyła 10 milionów egzemplarzy. Krzywa kosztów nadal spada - oczekuje się, że ceny pakietów baterii spadną do około 80 $/kWh do 2026 roku; w 2025 roku pakiety na chemię LFP są o ponad 40% tańsze w przeliczeniu na kWh w porównaniu z alternatywnymi chemiami. Następny rozdział napisał litowo-jon; czy następny rozdział zostanie napisany akumulatorami w stanie stałym (solid-state), pozostaje otwartym pytaniem inżynieryjnym.

Wniosek: jak rewolucja sprzętowa umożliwiała rewolucję rynkową?

Samochód elektryczny w 1900 roku miał udział w rynku, ale jego akumulator nie zdołał tego udziału utrzymać; GM EV1 wyprodukował produkt, ale jego akumulator nie udźwignął rentowności. Litowo-jon przekroczył oba te progi: gęstość energetyczna rozwiązała kwestię zasięgu, krzywa kosztów - kwestię ceny. Tesla Roadster był pierwszym samochodem na przecięciu tych dwóch krzywych; dzisiejsza flota 10 milionów pojazdów jest przedłużeniem łańcucha, który zaczął się w 1991 roku od akumulatora kamery. Sprzęt był gotowy, a rynek poszedł za nim - kolejność zawsze przebiegała w tym kierunku i nigdy odwrotnie.

Źródła

• Oś czasu: historia samochodu elektrycznego
• Pierwszy samochód elektryczny: krótka historia EV od 1830 roku do dziś
• Historia pojazdów elektrycznych
• Bateria litowo-jonowa
• Komunikat prasowy Sony o komercjalizacji technologii litowo-jonowej
• Rozwój baterii litowo-jonowych nabiera rozpędu
• Koszty baterii spadły o 99%
• General Motors EV1
• EV1 - samochód elektryczny - Narodowe Muzeum Historii Ameryki
• Prowadząc przyszłość, kiedyś i dziś: historia EV1
• Tesla Roadster (pierwsza generacja)
• Trwałość baterii Tesla Roadster
• Baterie pojazdów elektrycznych - Global EV Outlook 2026 (IEA)
• Ceny baterii do pojazdów elektrycznych