Аккумуляторы – главные виновники всех недостатков.
Ограничения лития
Обычно аккумулятор в автомобиле представляет собой собрание сотен или тысяч отдельных ячеек, которые напоминают огромную упаковку пальчиковых батареек из ближайшего супермаркета. Вместе они способны обеспечить электромобиль из премиум-сегмента аккумулятором, способным отдать нагрузку в 90 кВт ч. Этого достаточно, чтобы проехать более 300 километров по шоссе. Для такой же поездки на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания потребуется 22 литра дизеля или 25 литров бензина. Но дизельное топливо такого объема весит 4,25 килограмма, и этот показатель только уменьшается, а аккумулятор весит целых 700 килограммов – это чуть меньше, чем Volkswagen Golf Mk1. Поэтому скорее всего электромобиль будет по меньшей мере на 20 % тяжелее машины на бензине. Чем больше дальность поездки, тем крупнее аккумулятор и заметнее разница, а вместе с тем и потребность в дополнительной энергии, чтобы привести транспортное средство в движение.
В ближайшее время значительных изменений не предвидится. Ионы лития привели к большому прорыву в области аккумуляторов, но сейчас они продвинулись гораздо дальше по пути развития. В теории можно рассчитать удельную энергоемкость идеального литий-ионного аккумулятора, если принять во внимание электрохимические характеристики элементов. Она в два раза превосходит лучшие современные аккумуляторы. Но достичь ее можно только в том случае, если она на 100 % эффективна, а вес блока аккумуляторов равен нулю – ни того, ни другого добиться невозможно.
Зарядиться по максимуму
Разработка аккумуляторов нового типа, которые будут заметно отличаться от имеющихся, займет годы. При этом в лабораториях трудится множество ученых в надежде совершить открытие. Наиболее перспективный вариант – твердотельные аккумуляторы, в которых вместо жидкого электролита используется твердый материал. Они появятся не раньше середины или конца 2020-х годов. Их разработкой занимаются в том числе Dyson и Toyota. Такие аккумуляторы должны обладать большей емкостью, быстрее заряжаться, иметь более долгий срок службы, измеряемый в циклах зарядки, а также дать возможность конструкторам подстраивать их форму под корпус автомобиля. Твердый электролит считается более жаростойким и способным работать в широком диапазоне температур.
Литий-воздушные аккумуляторы больше похожи на топливные элементы, чем на батареи. Ожидается, что они будут обладать большей удельной энергоемкостью, а дальность поездки составит тысячи километров. Но экспериментальные модели забивались из-за того, что в воздухе ионы лития соединялись с углекислым газом и водяным паром, что приводило к короткому сроку службы.
Идея создания стеклянного аккумулятора может показаться глупой, но изобретатель литий-ионных батарей Джон Гуденаф, которому уже далеко за 90, относится к ней со всей серьезностью. Гуденаф сообщил, что у него есть образцы, сделанные исключительно из соли и натрия без использования горючего или редко-земельных элементов. Изобретатель заявил, что по сравнению с литий-ионными батареями у новых аккумуляторов в разы выше удельная энергоемкость, долгий срок службы и быстрая зарядка. Другие ученые относятся к этому скептически.
Суперконденсаторы (ионисторы) могут накапливать и отдавать энергию очень быстро. И в отличие от аккумуляторов для них не существует теоретических ограничений по количеству сохраненной энергии на заданный вес. Проблема в том, что их удельная энергоемкость на данном этапе никуда не годится: она составляет четверть от показателей литий-ионных батарей. Но научные открытия не за горами. Британская компания Super Dielectrics Ltd совместно с университетом Суррея и Бристольским университетом исследует возможности использования полимеров вроде тех, что встречаются в одноразовых контактных линзах, для создания суперконденсаторов следующего поколения. Они должны догнать или даже перегнать существующие аккумуляторы по удельной энергоемкости. Графен, вокруг которого много шума, благодаря обширной поверхности также имеет потенциал для формирования структуры будущего суперконденсатора, который изменит отрасль.