Какие аккумуляторы используются в современных электромобилях

Электромобиль является наиболее современным транспортным средством, и автолюбители все больше пересаживаются на них во многих странах мира. Уже около миллиона человек по всему миру активно пользуются электрокарами, ведь в отличие от традиционных автомобилей, работающих на сжигаемом топливе, электрокар более экономичен в эксплуатации и в целом более практичен.

Тем не менее, при смене транспортного средства на электрическое, у водителя неизбежно возникают вопросы касательно обслуживания, ремонта, стоимости аккумуляторов и т. д. Несмотря на все эти вопросы, оказывается, что электромобили в конечном счете все равно обладают рядом преимуществ перед обычными автомобилями. И в данной статье мы поговорим конкретно об аккумуляторах для электрокаров.

Итак, электрокары — это автомобили, которые для своей езды используют электрическую энергию, запасаемую в аккумуляторе. Данная технология позволяет сделать электромобиль вдвое дешевле в эксплуатации, по сравнению с автомобилем на бензине, а также более маневренным на дороге благодаря мгновенной передаче крутящего момента на колеса.

Уже сегодня существует несколько типов аккумуляторов для электрокаров: литий-ионные (наиболее распространенные, с высокой плотностью энергии), литий-серные (перспективные из-за сниженной себестоимости), алюминий-ионные (устойчивые к перегреву) и металл-воздушные (с рекордной емкостью, но требующие доработки).

В случае необходимости любой аккумулятор может быть заменен, для этого достаточно загнать электрокар в специализированный автосервис. Мастер правильно подключит все разъемы, наладит соединение батареи с бортовым компьютером, сделает соответствующие программные настройки, которые позволят электрической машине работать как прежде. Современные системы диагностики автоматически тестируют состояние аккумулятора, предупреждая о необходимости замены или обслуживания.

Что касается «заправки» электричеством, то сегодня в мире уже функционируют зарядные станции для электрокаров мощностью 350 кВт, способные зарядить батарею до 80% за 15–20 минут. 

Для повседневного использования большинство владельцев предпочитают домашние зарядные устройства (7–22 кВт), которые обеспечивают полный заряд за ночь. Кроме того, активно развиваются технологии беспроводной зарядки и «подзарядки на ходу» через специальные дорожные панели.

Экологический аспект также играет ключевую роль: электрокары не производят выхлопных газов, а при использовании энергии из возобновляемых источников (солнечные панели, ветрогенераторы) их углеродный след сводится к минимуму. Производители уже внедряют системы рециклинга аккумуляторов, где до 95% материалов батарей повторно используются в новых изделиях.

Будущее электромобилей связано с увеличением пробега на одном заряде (благодаря твердотельным батареям), интеграцией с «умными» энергосетями (V2G-технологии) и автономным управлением. Уже к 2030 году ожидается массовый переход на электрокары в Европе, Китае и США, чему способствуют государственные субсидии и запреты на ДВС.

Совет для владельцев: Для продления срока службы батареи избегайте частой зарядки до 100% и разрядки ниже 20%, а также используйте предварительный подогрев аккумулятора в холодную погоду через мобильное приложение.

Литиевые аккумуляторы

На сегодняшний день литий-ионные и металл-воздушные аккумуляторы остаются самыми востребованными для электрокаров. Эти батареи способны работать без обслуживания до года, обеспечивая стабильную и долговечную эксплуатацию транспортных средств.

Литий-ионные батареи получили массовое распространение благодаря своей высокой плотности энергии, напряжению в 3,6 В на элемент и низкому саморазряду, который не превышает 20% за год.

Отсутствие эффекта памяти и срок службы до 10 лет делают их оптимальным выбором для современных электромобилей. Их компактность и малый вес дополнительно улучшают динамику и запас хода автомобилей.

Однако высокая стоимость таких аккумуляторов ограничивает их доступность для широкого круга автолюбителей. Ключевые сложности связаны с чувствительностью к экстремальным температурам, требующей строгого контроля за перегревом или переохлаждением.

Необходимость защиты от перезаряда и постепенная деградация элементов даже при минимальной нагрузке также влияют на долговечность. Количество циклов заряда варьируется от 500 до 2000 в зависимости от модели, что требует внимательного подхода к эксплуатации.

Металл-воздушные аналоги, хотя и обладают рекордной энергоемкостью за счет реакции металла с кислородом, все еще нуждаются в доработке по части долговечности и совместимости с существующей инфраструктурой зарядки.

Для продления ресурса аккумуляторов эксперты рекомендуют избегать полного разряда, поддерживать заряд в диапазоне 20–80% и использовать предварительный подогрев батарей в холодную погоду.

Производители активно внедряют системы охлаждения и улучшают химический состав элементов, например, за счет перехода на твердотельные технологии, параллельно развивая программы переработки для снижения экологического ущерба.

Металл-воздушные аккумуляторы

Металл-воздушные аккумуляторы, появившиеся на рынке относительно недавно, быстро завоевали интерес владельцев электрокаров благодаря своей износостойкости и надежности. Их преимущества включают компактность, малый вес, доступную стоимость, простоту утилизации и способность обеспечивать транспортным средствам значительный запас хода.

Однако технология сталкивается с рядом ограничений: внезапное падение мощности может приводить к неожиданным остановкам, а необходимость использования высококачественных фильтров для очистки поступающего воздуха усложняет эксплуатацию. Чувствительность к низким температурам, выражающаяся в снижении эффективности при охлаждении ниже +5°C, также затрудняет применение в холодных регионах.

Производители компенсируют эти недостатки за счет внедрения интеллектуальных систем мониторинга заряда, которые заранее предупреждают о необходимости обслуживания. Многослойные фильтрующие мембраны последнего поколения эффективно защищают элементы от загрязнений, а терморегулирующие чехлы с функцией подогрева помогают поддерживать рабочую температуру в морозных условиях.

Перспективы металл-воздушных аккумуляторов связаны не только с электромобилями, но и с системами хранения энергии для жилых и промышленных объектов. В ближайшие годы ожидается появление гибридных решений, где такие батареи будут сочетаться с литий-ионными аналогами, объединяя их сильные стороны.

Для владельцев ключевой рекомендацией остается регулярная проверка состояния воздушных фильтров и использование предварительного подогрева элементов в холодное время года. Эти меры значительно продлевают срок службы аккумуляторов и минимизируют риск неожиданных сбоев.

Литий-серные аккумуляторы

Литий-серные аккумуляторы для электрокаров относятся к малообслуживаемым батареям, однако выдерживают они всего до 60 циклов заряда-разряда. Технология дорабатывается, совершенствуется, чтобы сделать литий-серные аккумуляторы более эффективными, и вообще считается весьма перспективной.

Современные разработки демонстрируют значительный прогресс: последние образцы от лабораторий в Беркли и Оук-Ридж показывают до 1500 циклов без потери ёмкости при использовании твердых электролитов и композитных катодов. Удельная энергоёмкость таких батарей достигает 500 Вт·ч/кг — вдвое выше, чем у литий-ионных аналогов, что позволяет электрокарам преодолевать более 650 км на одном заряде.

Ключевые преимущества включают низкую стоимость производства благодаря использованию серы — побочного продукта нефтепереработки, а также работоспособность при экстремальных температурах (от -40°C). Экологическая безопасность и малый вес дополнительно усиливают их привлекательность для авиации и тяжёлого транспорта.

Главное препятствие, которое необходимо сейчас преодолеть — деградация серного катода из-за растворения полисульфидов и нестабильность интерфейса электролита. Учёные решают эти проблемы через нанофильтры для удержания активных веществ, графеновые добавки и гибридные системы с литий-ионными модулями.

Рынок активно развивается: к 2032 году прогнозируется рост до $932 млн за счёт внедрения в электромобили и сетевые накопители. Такие компании, как Sion Power и Oxis Energy, уже тестируют прототипы с 350 Вт·ч/кг для коммерческого транспорта, а Oak Ridge National Laboratory добилась восьмикратного превосходства в ёмкости над литий-ионными образцами.

Перспективы технологии связаны с твердотельными решениями, устраняющими риски утечек электролита, и системами рециклинга, перерабатывающими до 95% материалов. При сохранении текущих темпов развития массовое внедрение литий-серных аккумуляторов ожидается к 2025–2030 годам, что кардинально изменит рынок энергонакопителей.

Алюминий-ионные аккумуляторы

Менее всего пользователями электрокаров востребованы алюминий-ионные аккумуляторы, поскольку они пока имеют мало циклов заряда-разряда и слабую производительность катодов. Соответственно и спрос на них минимален. Однако последние разработки китайских ученых демонстрируют прорыв: применение твердотельного электролита на основе фторида алюминия позволило достичь 10 000 циклов зарядки без потери мощности, что в десятки раз превышает показатели ранних версий.

Сейчас китайские разработчики пытаются усовершенствовать алюминий-ионные аккумуляторы, и есть основания предполагать, что в будущем они станут использоваться более активно. Новые образцы демонстрируют устойчивость к механическим повреждениям (включая проколы) и температуре до +200°C, что делает их пригодными для экстремальных условий. А

люминий-ионные аккумуляторы считаются более безопасными (из-за отсутствия легковоспламеняющегося жидкого электролита) и обещают быть более дешевыми благодаря использованию алюминия — одного из самых распространенных металлов на Земле.

Перспективы технологии связаны с увеличением плотности энергии за счет микроструктурных модификаций анода и внедрения композитных материалов. Уже сейчас прототипы показывают способность хранить больше лития, чем традиционные аноды, что открывает путь к превосходству над литий-ионными аналогами по емкости. Кроме того, до 80% материалов таких батарей можно перерабатывать без потери качества, что усиливает их экологическую привлекательность.

В электрокаре, как правило, для питания бортовой сети используется отдельный аккумулятор. Тяговый аккумулятор служит только для питания электродвигателя, поэтому именно к нему предъявляются жесткие требования касательно мощности и стойкости.

Современные тяговые системы на основе литий-ионных или перспективных твердотельных батарей обеспечивают мгновенную передачу крутящего момента, что и делает электромобили маневреннее бензиновых. При этом алюминий-ионные аналоги пока уступают в удельной энергии, но их надежность и безопасность могут сделать их оптимальными для городского транспорта или стационарных накопителей.

Будущее алюминий-ионных аккумуляторов зависит от решения двух задач: повышения энергоемкости (через наноинженерию катодов) и масштабирования производства.

Ученые прогнозируют их внедрение в грузовой электротранспорт и системы V2G (Vehicle-to-Grid) к 2030 году, особенно в регионах с жарким климатом, где термостабильность играет ключевую роль.

В сочетании с технологиями «безмассовых» структурных батарей (как шведские разработки на основе углеродного волокна) они могут стать частью гибридных систем, где вес и безопасность критически важны.

Лучшие технологии аккумуляторов для электрокаров

Питание электрического двигателя в электрокаре должно всегда быть обеспечено на самом высоком уровне, поэтому в технологии создания батарей всегда идут усовершенствования. Большие надежды сейчас возложены на графен — особую форму углерода. Он недорог в производстве, и батарея с ним получается в четыре раза дешевле чем литиевая.

Графеновые аккумуляторы демонстрируют уникальные характеристики: зарядка на 1000 километров пробега занимает всего около 8 минут благодаря сверхпроводимости материала, который в 100 раз эффективнее кремния. Испанские разработчики совместно с Кордовским университетом уже создали рабочие прототипы, тестируемые ведущими немецкими автобрендами.

Ключевым преимуществом графена остается его безопасность — отсутствие легковоспламеняющихся компонентов резко снижает риски возгорания. Российские производители, обладая крупными мощностями по выпуску графеновых нанотрубок, активно включаются в гонку технологий, предлагая решения для гибридных систем хранения энергии.

Современные графен-свинцовые аккумуляторы для солнечных станций подтверждают живучесть технологии, выдерживая до 2000 циклов зарядки без потери емкости. Это открывает перспективы для их использования не только в транспорте, но и в smart-grid сетях, где важны скорость реакции и долговечность.

Германия, ставшая полигоном для испытаний, может уже в ближайшие годы перевести часть коммерческого транспорта на графеновые батареи, устранив главный барьер массовой электромобилизации — длительное время зарядки. С учетом прогнозов о снижении стоимости производства к 2025 году, графен способен стать основой для нового поколения энергонакопителей, сочетающих доступность и экологичность.

Аккумуляторы для электрокаров сегодня

Большинство аккумуляторов в современных электрокарах представлено литий-ионными, железо-фосфатными и свинцово-кислотными моделями. Их конструкция основана на объединении множества ячеек в единый блок, где параллельное и последовательное соединение позволяет достигать необходимой емкости.

Современные модули оснащаются системами жидкостного охлаждения и интеллектуальными контроллерами, которые автоматически балансируют заряд между элементами, продлевая срок службы батареи.

Мощность электрокаров варьируется, что напрямую влияет на конфигурацию аккумуляторов — количество ячеек и рабочее напряжение. Некоторые модели используют системы с напряжением менее 400 вольт, тогда как другие переходят на высоковольтные решения до 800 вольт, что значительно сокращает время зарядки, но требует дорогостоящей инфраструктуры и профессионального обслуживания.

Новые батареи рассчитаны на длительную эксплуатацию, обеспечивая максимальный пробег на одном заряде. Однако со временем их емкость неизбежно снижается из-за циклов заряда-разряда и естественного старения, даже при хранении. Модульная конструкция позволяет заменять поврежденные элементы без полной замены аккумулятора, что удешевляет ремонт. Например, Tesla предлагает замену отдельных модулей, снижая стоимость обслуживания на треть.

Подбор новой батареи при истощении старой требует индивидуального подхода, включая перепрограммирование бортового компьютера с учетом обновленных параметров безопасности, таких как защита от перегрева и короткого замыкания. Работы выполняются сертифицированными специалистами — с 2023 года в ЕС введены строгие требования к квалификации мастеров, обслуживающих высоковольтные системы.

Срок службы тяговых аккумуляторов обычно составляет 5–10 лет, хотя железо-фосфатные модели могут работать до 15 лет благодаря устойчивости к полному разряду. Емкость постепенно снижается: в первые годы потеря достигает 10%, затем 20% за три года, а далее — около 1% ежегодно. Бережная эксплуатация, включая зарядку до 80% и избегание глубоких разрядов, замедляет деградацию до 2–3% в год.

Б/у аккумуляторы редко отправляют на свалку — чаще их интегрируют в системы автономного энергоснабжения, например, для накопления солнечной энергии. Компании вроде Nissan и BMW используют такие батареи в уличном освещении и зарядных станциях. Если переработка необходима, производители извлекают до 95% ценных материалов, таких как литий и кобальт, через высокотехнологичные процессы, как на заводах Redwood Materials.

Перспективы вторичного использования связаны с созданием «энергетических буферов» для ветряных электростанций и умных сетей. В Калифорнии бывшие автомобильные батареи уже тестируют в системах, запасающих излишки энергии днем для подачи в сеть ночью. Это не только снижает экологический след, но и укрепляет экономическую привлекательность электромобилей, превращая их в часть глобальной циклической экономики.

Смотрите также:

Каку строены и работают электромобили Тесла

Как устроены и работают беспилотный автомобиль

10 лучших технологий аккумуляторов, зарядки и хранения энергии будущего

Андрей Повный