Как литий-ионный аккумулятор вернул электромобиль?

В 1900 году 28% автомобилей в США были электрическими; литий-ионный аккумулятор в конце концов обратил вспять столетнюю победу бензина.
В 1900 году 28% автомобилей в США были электрическими; литий-ионный аккумулятор в конце концов обратил вспять столетнюю победу бензина.

Поделиться этой страницей

Литий-ионная батарея - это химия аккумуляторов, которая благодаря высокой плотности энергии и снижающейся стоимости решила вековую проблему запаса хода и массы электромобиля, сделав современный электромобиль технически возможным. Эта статья рассказывает историю, простирающуюся от 1890-х до 1991 года, и о том, как эта революция изменила облик автомобиля.

Основные моменты

  • В 1900 году в США 28% автомобилей были электрическими; конкурентную борьбу выиграл бензин.
  • Первая коммерческая литий-ионная батарея была выпущена на рынок в 1991 году компанией Sony .
  • Стоимость литий-ионных батарей снизилась с ~9200 долларов за кВтч до 78 долларов .
  • Tesla Roadster (2008): 393 км запаса хода по EPA, разгон 0–100 км/ч за 3,9 секунды.

Электромобиль на самом деле появился раньше бензинового?

Вопреки мнению многих читателей - да. История электромобиля начинается практически в ту же эпоху, что и двигатель внутреннего сгорания, и в первой половине XX века электричество вовсе не было маргинальной технологией. В 1827–1828 годах венгерский священник Аньош Йедлик создал первый электродвигатель и запустил небольшую модель автомобиля. В 1832–1839 годах шотландец Роберт Андерсон разработал примитивный электромобиль; однако гальванические элементы ещё нельзя было перезаряжать, то есть транспортное средство работало на одноразовом источнике энергии. В 1837 году Роберт Дэвидсон построил в Абердине первый прототип электровоза; увеличенная модель Galvani 1841 года протащила груз весом 6 тонн на расстояние 1,5 мили со скоростью 4 мили в час. Железнодорожные рабочие, опасаясь потерять работу, уничтожили машину - первый сопротивление технологии встретило в столь раннюю эпоху.

Переломный момент наступил в 1859 году: свинцово-кислотная батарея Гастона Планте впервые сделала возможным хранение перезаряжаемой энергии в автомобиле. Эта химия оказалась настолько надёжной, что до сих пор используется в аккумуляторах автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Около 1884 года Томас Паркер запустил в Англии электрические трамваи и производил прототипы электромобилей.

От Моррисона к Женаци: первое золотое время

С американской стороны отправной точкой является Уильям Моррисон. В 1890 году он подал патентную заявку на свой электромобиль в Де-Мойне, штат Айова; автомобиль имел передний привод, развивал 4 лошадиные силы, достигал скорости 20 миль в час и с 24 аккумуляторными ячейками требовал зарядки после 50 миль. На Всемирной выставке в Чикаго 1893 года он произвёл сенсацию. В Филадельфии Салон и Моррис в 1894 году получили патент на Electrobat ; к 1896 году он offering запас хода 25 миль с двумя моторами по 1,1 кВт, а в том же году выиграл спринтерские гонки на пять миль против бензиновых автомобилей Duryea.

Цифры наглядно показывают популярность той эпохи: в 1900 году 28% автомобилей на дорогах США были электрическими; треть из 160 автомобилей, представленных на первой автомобильной выставке, были электрическими. В городском использовании электричество имело реальные преимущества - оно было тихим, чистым, заводилось поворотом ключа и редко ломалось. В 1899 году Камиль Женаци на автомобиле с двумя моторами по 25 кВт и кузовом из алюминиевого сплава партиниум - La Jamais Contente стал первым человеком, преодолевшим отметки в 100 км/ч и 60 миль/ч. В Нью-Йорке Electric Vehicle Company управляла более чем 600 электротакси с использованием станций замены батарей; в 1897 году в Лондоне была создана первая служба электрических такси.

Почему победил бензин? Анатомия соперничества электрических и бензиновых автомобилей

Первое поражение электромобиля было не поражением в производительности, а поражением инженерной экономики. Было четыре решающих фактора, и все они измеримы:

  • Стоимость: электромобили стоили почти вдвое дороже бензиновых и считались предметом роскоши. В 1908 году Ford Model T стоил 850 долларов, тогда как большинство электромобилей продавались минимум вдвое дороже; когда в 1923 году Model T упал ниже 300 долларов, многие электромобили были в десять раз дороже.
  • Запас хода и хранение энергии: запасная канистра бензина была намного легче запасной батареи - суть проблемы заключалась именно в этом соотношении масс.
  • Инфраструктура: в сельских местностях без электричества возможности зарядки не было; бензин же был универсально продаваемым запасённым источником энергии.
  • Запуск двигателя: в 1912 году электрический стартер Чарльза Кеттеринга (на первом Cadillac) устранил пусковую рукоятку и стёр основное эксплуатационное преимущество электромобилей.

Если резюмировать одним предложением, плотность энергии свинцово-кислотной батареи не отвечала требованиям автомобиля по массе и запасу хода. Тем не менее Detroit Electric с 1907 по 1939 год смог произвести более 35 000 автомобилей; жена Генри Форда Клара Форд с 1908 по 1914 год пользовалась Detroit Electric. В Англии электрические молоковозы "milk float" работали до 1980-х годов, и страна большую часть XX века была крупнейшим в мире пользователем электрического дорожного транспорта - но это были машины с узкой специализацией, а не универсальные автомобили.

Промежуточные попытки XX века: насколько тяжела батарея, настолько и результат

С 1920-х годов электромобиль стал маргинальным, но полностью не умер; в каждой попытке вновь доказывалось, что проблема всегда была в батарее. В Японии модель 1947 года Tama выполняла функции такси со свинцово-кислотной батареей, скоростью 20 миль/ч и запасом хода 40 миль. Henney Kilowatt (1959–1960) повысил напряжение с 36 В до 72 В, достигнув скорости 60 миль/ч и запаса хода 60 миль; тем не менее было произведено лишь около 100 шасси, продано 47 автомобилей.

Эксперимент GM Electrovair II (1966) - это точка данных, показывающая серьёзность ситуации: серебряно-цинковые батареи, напряжение системы 532 В, 115 л.с. и запас хода 40–80 миль - но батареи выдерживали лишь 100 циклов зарядки, а пакет стоил 160 000 долларов в деньгах того года. В 1971–72 годах Луноход (LRV) служил иной цели - предельной надёжности: с двигателями GM Delco и неперезаряжаемыми серебряно-цинковыми батареями при стоимости 38 миллионов долларов. После нефтяного эмбарго ОПЕК 1973 года интерес возродился: вышедший в продажу в 1974 году Citicar был скромным - 2,5 л.с. и около 25 миль/ч, но общий объём производства в 4444 единицы сделал его крупнейшим производителем электромобилей в послевоенной Америке вплоть до 2013 года. GM 1977 года Electrovette прототипы были свинцово-кислотными, проезжали 50 миль со скоростью 30 миль/ч; когда ожидания по цене бензина не оправдались, их отправили на полку.

GM EV1: автомобиль, рано столкнувшийся с проблемой батарей

В 1990-х годах требование Калифорнии к автомобилям с нулевым уровнем выбросов породило первый серьёзный серийный электромобиль современной эпохи. GM перешёл от концепта Impact к производству и EV1 начал сдавать в аренду в 1996–97 годах; арендаторы получили автомобили в 1997 году, всего было арендовано около 1 000 экземпляров. Первая модель имела свинцово-кислотную батарею; появившаяся позже версия с никель-металлгидридной (NiMH) батареей предлагала запас хода от 70 до 160 миль - заметный скачок в рамках химии того времени, но недостаточный.

Последние автомобили были выпущены в 1999 году; в 2003-м GM свернул программу, ссылаясь на высокие издержки производства и небольшой рынок, прекратил аренду, забрал автомобили и уничтожил большинство из них. Проходили протесты граждан; Фрэнсис Форд Коппола был одним из немногих, кому удалось сохранить свой автомобиль. Чем именно была определена судьба EV1, до сих пор обсуждается: в распространённой версии на первый план выходят затраты и размер рынка, а альтернативное прочтение ставит во главу угла финансовый кризис GM 1992 года и смену руководства (приход Джека Смита на пост CEO). Общее мнение таково: химия свинцово-кислотных и NiMH батарей не достигала энергетической плотности, необходимой, чтобы сделать автомобиль прибыльным и практичным. Недоставало литий-ионной технологии.

Как началась литий-ионная революция?

Фундаментальные исследования литий-ионной батареи были опубликованы в 1970-х годах; за эту работу Джон Б. Гуденаф, М. Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино разделили Нобелевскую премию по химии 2019 года. Коммерческий прорыв произошёл в 1991 году: Sony, используя разработку Ёсино, начала производство и продажу первых в мире перезаряжаемых литий-ионных батарей - именно этот продукт получил название "литий-ион". Сначала батареи попали в камеры, затем в другую потребительскую электронику; электромобиль ещё не был на горизонте, но накопитель энергии, способный сделать его возможным, уже серийно производился.

Стартовые показатели объясняют цифрами, почему эта технология получила превосходство. Первые коммерческие ячейки имели объёмную энергетическую плотность около 200 Вт·ч/л - почти вдвое больше, чем у современных им систем. Гравиметрическая плотность выросла с диапазона 100–120 Вт·ч/кг до более чем 300 Вт·ч/кг; за три десятилетия с момента вывода на рынок объёмная плотность утроилась. Самая впечатляющая кривая - это стоимость: литий-ионные батареи подешевели с ~9 200 долларов за кВт·ч до 78 долларов - падение более чем на 99%. Большинство технологических переходов дают либо рост производительности, либо снижение стоимости; литий-ион сделал и то и другое одновременно, а этого достаточно, чтобы преобразовать автомобиль.

Показатель1991 (первые коммерческие ячейки)Спустя десятилетия
Стоимость (за кВт·ч)~9 200 $78 $
Объёмная энергетическая плотность~200 Вт·ч/лУтроилась
Гравиметрическая плотность100–120 Вт·ч/кгБолее 300 Вт·ч/кг
Первый легальный пользователь EV на автострадахNissan Altra EV (1998)

Из лаборатории в автомобиль: линия от tzero до Tesla Roadster

Когда литий-ионные элементы стали доступны в потребительской электронике, автомобильные инженеры оказались среди первых, кто это заметил. В 1997 году компания AC Propulsion Алана Коккони tzero представила tzero: 150 кВт (201 л.с.) и свинцово-кислотная батарея. Мартин Эберхард заказал tzero с литий-ионной батареей; результат - 0-60 миль/ч за 3,7 секунды при оценочной стоимости 220 000 долларов. Этот прототип доказал, что литий-ионный спортивный автомобиль малых объёмов выпуска, но высокой цены, может быть коммерчески жизнеспособным.

В 2003 году Эберхард и Марк Тарпенинг основали Tesla Motors; Илон Маск сначала пытался убедить AC Propulsion заняться производством, а затем инвестировал в Tesla. В 2008 году началось производство Tesla Roadster - первого в мире серийного электрического спортивного автомобиля с литий-ионной батареей. Первое поколение использовало лицензированную силовую систему AC Propulsion и строилось на компонентах Lotus Elise. Технические характеристики были таковы:

  • Запас хода по EPA: 244 мили (393 км) - один из первых серийных автомобилей, продемонстрировавших запас хода 200 миль.
  • 0-100 км/ч: 3,9 секунды; 288 л.с.
  • Батарея: 53 кВт·ч литий-ионная.
  • Производство: более 2400 единиц в период с 2008 по 2012 год; цена в 2010 году - 109 000 $.
  • Долговечность: ожидалось, что батарея в среднем сохранит 80-85% начальной ёмкости после 100 000 миль.

Главный вклад Roadster - не технология, а доказательство: с литий-ионной батареей реальный запас хода, реальная производительность и разумный срок службы батареи могут сосуществовать в одном автомобиле. В 2011 году Nissan Leaf, первый EV крупного производителя с собственной платформой, вышел на дорогу с литий-ионной батареей 24,0 кВт·ч и в январе 2018 года стал самым продаваемым полностью электрическим автомобилем в истории, преодолев отметку в 300 000 продаж; позже этот рекорд перешёл к Tesla Model 3. Инженерный опыт, оставшийся от EV1, продолжил жить в линейках Chevrolet Volt и Bolt.

Где сегодня находится эта трансформация?

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

Реструктуризация автомобильной промышленности литий-ионными технологиями измеряется масштабом: к концу 2020 года совокупные продажи лёгких подключаемых электромобилей превысили 10 миллионов единиц. Кривая затрат продолжает снижаться - ожидается, что к 2026 году цены на аккумуляторные пакеты опустятся примерно до 80 $/кВт·ч; в 2025 году пакеты с химией LFP в среднем более чем на 40% дешевле в пересчёте на кВт·ч по сравнению с альтернативными химическими составами. Первую главу революции написала литий-ионная технология; будет ли следующая глава написана твёрдотельными (solid-state) аккумуляторами - открытый инженерный вопрос.

Итог: как аппаратная революция сделала возможной рыночную революцию?

Электромобиль в 1900 году имел долю рынка, но его аккумулятор не смог удержать эту долю; GM EV1 был выпущен как продукт, но его аккумулятор не смог обеспечить рентабельность. Литий-ион преодолел оба порога: плотность энергии решила вопрос запаса хода, кривая затрат - вопрос цены. Tesla Roadster стал первым автомобилем на пересечении этих двух кривых; сегодняшний парк из 10 миллионов машин - продолжение цепочки, начавшейся в 1991 году с аккумулятора камеры. Аппаратная часть подготовилась, рынок последовал за ней - именно в таком порядке, и никогда наоборот.

Источники