Mengapa aki mobil masih sangat berat?

Dulu ketika saya masih kecil, baterai mobil dulunya adalah gumpalan plastik besar yang diisi dengan timbal dan asam. Mereka biasa menimbang hampir sebanyak ponsel (sedikit berlebihan di sana, maaf).

45 tahun kemudian, aki mobil masih terlihat sama dan beratnya sama.

Jadi, di zaman modern ini dan penekanan pada penghematan bahan bakar, mengapa baterai masih berbobot 40 lb? Mengapa kemajuan teknologi tidak dapat membuatnya lebih ringan dan lebih efisien?

Jadi, sekarang setelah jawaban atas pertanyaan literal Anda untuk pertanyaan nyata Anda , yang sayangnya Anda tidak tanyakan

Teknologi baterai telah bergerak sejauh ini dalam 100 tahun terakhir. Baterai starter asam timbal menjadi umum di mobil pada tahun 1920, timbal pada dasarnya beracun, dan asam sulfat / timbal tidak kurang berbahaya. Mereka cenderung gagal dalam suhu dingin, terutama jika tidak dirawat secara teratur, dan meskipun mereka jelas murah sekali untuk diproduksi, seluruh penanganannya, termasuk persyaratan hukum untuk mengambil kembali baterai lama, pasti menjadi mimpi buruk.

Mengapa industri tidak menarik garis dan beralih ke hal-hal seperti LiIon atau baterai NiCd atau NiMH yang baik, karena mobil listrik telah menunjukkan bahwa Anda dapat mengendarai mobil berdasarkan tahun secara andal?

Baterai NiCd hanya lebih buruk di setiap aspek tetapi kepadatan energi dari asam timbal. NiMH lebih baik, tetapi jauh lebih mahal, dan masih memiliki tingkat debit yang lebih tinggi, biasanya (kecuali jika Anda membuatnya lebih mahal). Dan masih cukup sulit untuk dibuang dengan benar.

Baterai lithium tidak mudah ditangani. Anda harus melindunginya dari segala macam kegagalan, dan beberapa di antaranya sangat fatal: jangan terlalu panas Baterai lithium Anda. Itu akan meledak. Dan panas adalah masalah serius di dalam kompartemen motor (dalam keadilan, baterai tidak harus ada di sana, tetapi cukup berguna).

Alasan utama sebenarnya adalah biaya. Baterai di mobil terakhir saya, Fiat Punto 1999, memasok maksimum 100 A (ketika saya mencoba memperkirakan arus hubung singkat aktual, sekitar 43 A, tapi masih banyak. Katakanlah P = U · I = 12V · 40A = 480W ) saat ini, dan memiliki kapasitas nominal sekitar 30 Ah (itu adalah energi 12V · 30Ah = 360Wh). Harganya 25 €. Jadi, tebakan kasar, lebih murah dari 10 € untuk diproduksi.

Jadi, mari kita ambil jenis baterai lithium yang diproduksi secara massal dan karenanya murah. Sel bundar yang biasa ditemukan yang membentuk banyak paket baterai laptop masing-masing sekitar 3 € (misalkan 1 € dalam produksi) sekitar 3Ah (11.1Wh), memasok hingga 5A (puncak, jangan lakukan itu lama) di beberapa 3,7 V. Yang mengatakan sel tunggal ini dapat memasok 18,5W. Jadi untuk mencapai kira-kira 480W dari baterai mobil murahan saya, Anda membutuhkan 26 di antaranya. Harganya € 26 dalam produksi, tidak termasuk Euro yang Anda habiskan untuk sirkuit kontrol, pengisian dan perlindungan, untuk membungkusnya dalam sesuatu yang kaku dan aman, dan fakta bahwa mineral diperlukan untuk menghasilkan beberapa komponen logam langka di Lithium baterai saat ini tidak semakin murah, dan melengkapi mobil di seluruh dunia dengan yang pasti akan mempercepat mekanisme pasar itu.

Mari kita asumsikan skala biaya dengan kapasitas. Baterai lithium 26-sel saya memiliki energi 26 · 11.1Wh = 288.6Wh. Jadi kita perlu mengukurnya dengan 1,25 untuk mencapai 360Wh yang sama dengan baterai timbal-asam.

Sel semacam itu beratnya sekitar 90g. Jadi berat sel adalah 26 · 90 g = 2,34 kg. Ok, saya tidak memiliki berat yang tepat dari baterai mobil murah saya di kepala saya, tetapi katakanlah itu 15 kg. Jadi kami menghemat berat dengan faktor sekitar 6,3, jika casing kami, dan elektronik ringan (tidak - sejauh yang saya tahu, Anda akan memerlukan catu daya mode sakelar yang besar untuk dapat mengisi daya secara efisien menggunakan generator mobil Anda, dan itu terutama terdiri dari kumparan tembaga yang cukup besar, dan mungkin beberapa inti ferit yang juga tidak terlalu ringan).

Itu mengarah ke faktor biaya sekitar 3,5 antara komponen A dan komponen alternatif B, dengan menangani kerugian, keandalan yang lebih rendah, dan perubahan rantai pasokan. Tidak heran industri mobil tidak mendorong ke arah itu. (Dan omong-omong, mereka memiliki lobi yang bagus.)

Jadi, jelas jawabannya dulu:

mengapa baterai masih memiliki berat 20kg?

Karena mereka masih baterai timbal-asam yang sama. Sederhana seperti itu. Tidak ada teknologi lain yang mendekati biaya rendah per Ampere (dan ampere-jam) dari mereka, dekat keandalan dan dekat kemudahan penanganan. 20kg tidak terlalu berat, jika Anda menganggap bahwa "penghematan bahan bakar" masih berarti rata-rata mobil baru Anda membawa sekitar puluhan kilogram fungsionalitas "kenyamanan", dan beratnya sekitar 1 Mg untuk bagian logam saja.

45 tahun kemudian, aki mobil masih terlihat sama dan beratnya sama.

45? Lebih seperti 120 tahun ... tapi ya. Kami masih membangun jembatan dari baja, beton kami telah menjadi lebih baik, tetapi masih pada dasarnya beton, kami menggunakan Aspal untuk jalan, tembaga masih menjadi konduktor favorit kami, teknologi penguat yang paling umum ditemukan dalam segala hal yang pada dasarnya bukan frekuensi rendah adalah penguat kelas A / B berbasis bipolar-transistor, dan lemari es kami masih tidak didasarkan pada sarana transportasi panas yang lebih efisien, tetapi pada mengompresi cairan yang lebih atau kurang berbahaya.

Baterai terbaru jauh lebih ringan dan biaya lebih murah untuk seumur hidup kendaraan daripada yang dahulu kala. Tetapi mereka tidak menggunakan kimia LA (asam timbal).

Baterai LiFePO4 (Lithium Ferro Phosphate) akan melakukan apa yang diperlukan dengan biaya seumur hidup yang dapat diterima TETAPI dengan biaya modal awal yang lebih tinggi - yang membuatnya tidak menarik bagi produsen mobil.

Biaya modal awal yang rendah tampaknya menjadi alasan utama untuk memilih asam timbal daripada LiFeO4 dan tidak jelas bahwa ada alasan lain yang benar-benar bagus.

Siklus hidup jauh lebih besar daripada Asam Timbal, yang memungkinkan seluruh biaya hidup lebih rendah daripada asam timbal.

Tidak seperti LiIon (Lithium Ion), "lonjakan hati" tidak akan menyebabkan masalah yang dimiliki LiIon.

Kontrol pengisian daya "cukup mudah".

Dibandingkan dengan asam timbal:

Kedalaman debit yang diizinkan, & tarif tagihan maks yang diterima lebih tinggi,

Kisaran suhu lebih baik

Efisiensi pengisian ulang lebih baik.

Kinerja debit diri lebih baik.

____________________________________________

Lithium Ion / LiIon:

Sebaiknya mengomentari baterai LiIon karena mereka sering mendapatkan "tekanan buruk" sehubungan dengan keselamatan.

Dibandingkan dengan asam timbal, kimia LiIon menawarkan massa dan kepadatan energi yang jauh lebih baik (lebih ringan & lebih kecil), siklus hidup yang agak lebih lama, biaya modal yang lebih tinggi, dan mungkin seluruh biaya hidup yang agak lebih unggul. Dikelola dengan benar, kontrol pengisian daya lebih mudah. Rentang suhu lebih baik, efisiensi pengisian / pengosongan agak superior. Kekecewaan terkait keselamatan sebagian besar bukan merupakan masalah - lihat di bawah ini.

Dalam banyak aplikasi baterai LiIon adalah yang baterai pilihan - dari Dreamliner ke ponsel Samsung untuk "hoverboards", Mars Rovers untuk laptop dan smartphone untuk MP3 player dan banyak lagi. Tiga aplikasi pertama di atas dipilih karena kegagalan spektakuler yang diketahui. Tetapi apa pun yang digunakan dalam Mars Rover dipilih karena kesesuaiannya dalam kehidupan yang panjang, lingkungan yang bermusuhan, tidak boleh gagal tugas. Dan ada ratusan juta baterai LiIon yang digunakan sehari-hari di saku orang dan rumah serta mobil dan banyak lagi.

Mengingat cara baterai LiIon DAPAT gagal, angka yang DO gagal secara spektakuler sangat jarang. Kegagalan yang banyak dilaporkan cukup sering disebabkan oleh beberapa kegagalan sistemik yang memengaruhi batch atau model baterai yang telah diproduksi dan didistribusikan dalam jumlah yang besar ATAU volume yang lebih rendah dengan aplikasi profil tinggi. Dalam kasus tersebut, kesalahan desain atau pabrikasi atau penyebab kekurangan atau memungkinkan kegagalan yang konsekuensinya diperburuk oleh perilaku kimia LiIon yang tidak termaafkan.

Contohnya adalah acara "curhat dengan nyala api" yang dipublikasi dengan baik di beberapa laptop Apple, ponsel Samsung, "hoverboards" self-balancing dan sejenisnya. Dalam dua contoh pertama biasanya pabrikan yang kompeten membiarkan kesalahan desain ada tanpa dikoreksi dan / atau tanpa disadari atau memotong sudut-sudut dalam pabrikan sejauh margin keselamatan menyamai mereka. Dalam kasus "hoverboards" penyebabnya tidak diketahui oleh saya tetapi sama berkewajiban untuk menjadi manufaktur biaya rendah berkualitas rendah dan kontrol biaya yang buruk seperti yang lainnya. Dalam peralatan konsumen, kegagalan baterai LiIon sering diakibatkan oleh korsleting yang terjadi dalam sel karena jarak bebas yang tidak memadai dan baik karena sensitivitas dampak yang diakibatkan atau mengenai variasi toleransi toleransi pabrikasi yang paling jauh secara statistik.

Dalam kasus kegagalan baterai Boeing Dreamliner, saya belum melihat laporan penyebab utama TETAPI sementara sejumlah kegagalan yang dipublikasikan dengan baik (dan mungkin beberapa yang tidak dipublikasikan) dalam volume produk yang sangat kecil, konsekuensinya terkandung dengan sangat baik. .

Sebuah pemeriksaan terperinci atas kegagalan dan mode LiIon menunjukkan bahwa mereka hampir selalu sama kerasnya dengan yang ditunjukkan oleh 'mitos' populer dan bahwa sementara pelepasan energi sangat besar, penahanan relatif mudah dalam hal teknik. Penahanan menambah berat dan volume dan biaya dan tidak biasa ditemukan di laptop atau perangkat saku / portabel. Ini ditemukan di Dreamliners dan dapat dengan mudah digunakan dalam aplikasi baterai tunggal otomotif (yaitu non-EV) sambil menjaga berat dan volume masih jauh di bawah kadar asam timbal dan dengan biaya tambahan sederhana. Dalam aplikasi kendaraan listrik masalah tampaknya telah diselesaikan atau diakomodasi "cukup baik". Saya memiliki keahlian di bidang pengaturan keselamatan kendaraan, tetapi saya yakin bahwa peraturan yang memberi kita rekaman kecelakaan-dummy yang spektakuler dan memungkinkan pemecatan bahan bakar minyak volatilitas tinggi dalam kendaraan penumpang juga membahas masalah keselamatan di sekitar sumber daya LiIon. Saya belum pernah mendengar tentang mobil 'Tesla' yang dikorbankan karena kegagalan baterai - walaupun mungkin telah terjadi - dan saya membayangkan Musk dan kawan-kawan percaya mereka memiliki area risiko ini "cukup memadai".

Saya tidak pernah, agak mengecewakan saya, melihat acara curian dengan nyala api dan tidak secara pribadi mengenal siapa pun yang memilikinya. Kejadian cukup umum untuk membuat berita NZ (populasi NZ di bawah 5 juta).

LiIon versus LiFePO4:

Dibandingkan dengan LiFePO4, kimia LiIon menawarkan massa dan kepadatan energi yang agak lebih baik (sedikit lebih ringan & lebih kecil), siklus hidup secara substansial RENDAH , biaya modal yang sedikit lebih rendah (per kapasitas energi), dan keseluruhan biaya hidup yang jauh lebih rendah. Kontrol pengisian daya hampir sama tetapi LiFePO4 secara signifikan lebih sulit rusak dalam kasus marginal. Kisaran suhu tidak sebagus, efisiensi pengisian / pengeluaran hampir sama. LiFePO4 jauh kurang tunduk pada masalah keamanan.

Di daerah di mana ukuran dan berat terkecil serta masalah biaya modal terendah (dengan penggunaan kendaraan listrik sebagai contoh yang baik) LiIon lebih unggul daripada LiFePO4.

Di hampir semua bidang dan aplikasi lain, LiFePO4 lebih baik atau jauh lebih baik daripada LiIon dan saya akan menganggap mereka sebagai teknologi baterai pilihan saat ini untuk masa pakai yang panjang dan berenergi tinggi, penyimpanan energi dengan jumlah siklus tinggi.

Ada baterai pemula Lithium , terutama untuk balap atau kinerja atau aplikasi mewah lainnya di mana penghematan berat atau hak menyombongkan diri sepadan dengan biaya.

Namun, seperti yang telah dicatat oleh orang lain, tuntutan aplikasi agak ekstrem dan teknologi lithium membutuhkan banyak pengembangan dan perawatan khusus untuk dapat secara andal dan aman memenuhi peran baterai starter / aksesori dalam kendaraan bermotor. Harga sangat tinggi - dengan mudah sepuluh hingga dua puluh kali lipat dari biaya baterai timah biasa. Kebanyakan orang tidak mau membayar $ 1000 untuk aki mobil mereka, jadi mereka tidak mau.

Jawabannya sangat sederhana: Karena kami belum menemukan yang lebih baik.

Aki mobil perlu menahan muatannya untuk jangka waktu yang lama, dapat mengalirkan arus besar dan masuk ke ruang yang kecil. Dan itu akan membantu jika tidak terlalu mahal.

Asam timbal masih merupakan solusi terbaik untuk kebutuhan tersebut.

Anda dapat menggunakan kimia berbasis Lithium, mereka dapat menahan muatan dan menghasilkan arus besar. Mereka juga jauh lebih mahal, sensitif terhadap suhu, membutuhkan lebih banyak perawatan listrik, dan lebih spektakuler jika disalahgunakan secara elektrik atau mekanis.
Biaya dan kompleksitas tambahan sama sekali tidak sebanding dengan manfaat dari pengurangan <1% dalam massa akhir mobil.

Saya melihat bahwa Anda menambahkan pertanyaan baru di akhir posting Anda:

Mengapa kemajuan teknologi tidak dapat membuatnya lebih ringan dan lebih efisien?

Karena bukan itu cara kerja kimia.

Kapasitas dalam satu jenis baterai cukup banyak ditentukan oleh jumlah ion yang Anda miliki - dan itu, dalam kasus baterai timbal-asam, cukup banyak timbal yang Anda butuhkan, ditambah beberapa untuk menjaga struktur tetap utuh.

Sekarang, jenis baterai lain mengalami kekurangan permukaan atau mobilitas ion terbatas yang membatasi kemampuan baterai untuk sumber arus yang tinggi, tetapi tidak banyak yang dapat Anda lakukan untuk meningkatkannya untuk baterai asam timbal - air adalah pembawa yang sangat baik untuk bahan kimia yang terlibat, dan kemampuan sumber baterai asam timbal saat ini cukup maksimal.

Oleh karena itu, ini hanyalah teknologi yang matang. Sama seperti kita belum membuat baja konstruksi murah jauh lebih baik dalam 80 tahun terakhir, tidak banyak yang dapat dilakukan tentang baterai asam timbal untuk membuatnya lebih baik tanpa mengabaikan prinsip asam timbal, dengan semua masalah yang jawaban kedua saya jelaskan .

Menggunakan superkapasitor sebagai baterai pemula sepenuhnya layak dan telah dicoba oleh para penggemar dalam praktik, lihat contoh . Selain dari harga yang lebih tinggi, beberapa contoh kesulitan praktis dilaporkan:

• Supercap sendiri, saat memulai mobil lebih mudah daripada baterai timbal, akan dikeluarkan dalam waktu sekitar setengah jam mendengarkan radio jika tidak terus diisi.
• Baterai lithium yang terhubung langsung + kombo supercap tidak menderita dari atas tetapi akhirnya rusak ketika ia menggunakannya untuk melompati mesin pemotong rumput - baterai Li akan membutuhkan elektronik ekstra untuk mencegah hal ini.

Terutama satu alasan: harga. Ada alternatif teknologi yang lebih baik, seperti baterai lithium-ion yang digunakan dalam mobil listrik, tetapi mereka juga jauh lebih mahal. Baterai ini sangat diperlukan dalam mobil listrik di mana Anda membutuhkan kapasitas besar tanpa menambah berat kendaraan (baterai timbal akan terlalu berat jika mereka harus mengganti tangki bahan bakar sebagai satu-satunya pasokan energi untuk mobil), tetapi dalam mobil bertenaga bahan bakar, berat baterai timbal klasik tunggal yang digunakan hanya untuk menghidupkan motor, dibandingkan dengan bobot mobil tidak signifikan, sementara rasio harga / kapasitas jauh lebih rendah. Ini masalah biaya / efisiensi: lebih murah, mereka menyediakan energi yang cukup untuk kebutuhan mobil, dan bobotnya tidak relevan.