02 Μία Σύντομη Ιστορία της Μπαταρίας
Γύρω στο 1832 ο Ρόμπερτ Άντερσον[1] ένας Σκωτσέζος, ανέπτυξε το πρώτο ακατέργαστο ηλεκτρικο καρο που χρησιμοποίησε μια μη επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Με την εφεύρεση της μολύβδου οξέος μπαταρίας το 1859 από τον Γάλλο φυσικό GustonPlante, τα ΗΟ απέκτησαν υπεροχή. Ωστόσο, το 1870 και μετά έγιναν τα ΗΟ πρακτικά και ακόμη δημοφιλή. Το 1897[2] υπήρχε ακόμη και ένας στόλος ηλεκτροκινήτων ταξί[3] στο Λονδίνο. Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα ήταν ο στόλος που ανηκε στον Walter C. Bersey[4].
Για να μπορούμε να καταλάβουμε τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη της μπαταρίας, είναι απαραίτητο να έχουμε μια αίσθηση του πώς λειτουργούν.
Σε ένα ιδανικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο θα υπήρχε πολλή ηλεκτρική ενέργεια που ρέει στον κινητήρα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα επιτρέποντας έτσι να πάει πιο γρήγορα ή να τραβήξει περισσότερα βαρύτερα φορτία. Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται[5] σε μια μπαταρία συγκεκριμένης μάζας ή όγκου (X) ονομάζεται «Ενεργειακή πυκνότητα (Energy Density)» και μετράται σε Watts / Kg. Ο ρυθμός με τον οποίο η μπαταρία μπορεί να εκπέμψει αυτή την ενέργεια ονομάζεται «Ειδικής ενέργειας Δυναμική πυκνότητα (Power Density)» και μετράται σε Watt Hours / Kg. Δυστυχώς, οι μπαταρίες έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα που σημαίνει ότι μεταφέρουν πολλή ενέργεια, αλλά χαμηλή Δυναμική πυκνότητα που σημαίνει ότι χάνουν την ενέργεια αργά. Για να αποκτήσετε περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από αυτες πρέπει να αυξήσετε το μέγεθός τους.
Η Πυκνωτές σε άμεση αντίθεση, ενώ έχουν παρόμοιο μέγεθος με την μπαταρία (X) έχουν μια μικρή Ενεργειακή πυκνότητα» με υψηλή Δυναμική πυκνότητα. Αυτό σημαίνει ότι μεταφέρουν λίγη ενέργεια και την χάνουν όλη γρήγορα, έτσι για να έχουν ένα μεγαλύτερο ρυθμό εκφόρτισης το μέγεθος τους πρέπει να αυξηθεί.
Τα δύο χαρακτηριστικά που έφεραν σε μειονεκτική θέση τα ηλεκτροκίνητα οχήματα στα τέλη του 19ου αιώνα και πάλι στο21ο αιώνα, ήταν πρώτον η απόσταση που μπορούσαν να διανύσουν με μια φόρτιση λόγω της Ενεργειακή πυκνότητα της μπαταριάς, και δεύτερον ο χρόνους φόρτισης των μπαταριών τους.
Ένας πολύ αποδοτικός κινητήρας εσωτερικής καύσης, συγκριτικά, έχει κατά προσέγγιση ενεργειακή πυκνότητα 12KWh / Kg[6] ή λίτρο καυσίμου, ενώ μια μπαταρία 1Kg αποδίδει περίπου 120 έως 210Wh / Kg. Ωστόσο η HO κινητήρες λειτουργούν σε 90% απόδοση και ανω[7], ενώ η εσωτερικής καύσης μιχανες χάνουν περίπου 60%[8] τις χημικού δυναμικού ενέργεια σε θερμότητα που δημιουργείται μόνο από την καύση. Προσθέστε σε αυτό το 60% την ενεργεία που χάνεται από το σύστημα μετάδοσης και διαφορικό του οχήματος εσωτερικής καύσης και συνειδητοποιούμε ότι η Ενεργειακή πυκνότητα μεταξύ Εσωτερικής Καύσης και ηλεκτροκίνητων οχήματα δεν είναι πια τόσο μεγάλη.
Μια πολύ καλή σύγκριση σε ένα βίντεο YouTube[9] που έκανε ο Κ. Jonathan Porterfield από το eco-cars.net συγκρίνει δύο ίδια μοντέλα βαν. Το ένα είναι το"Nissan eNV200 ηλεκτρικό" βαν ενώ το άλλο είναι το Nissan NV200 Acenta 1.5DCi ντίζελ βαν". Στο βίντεο συγκρίνει το κόστος λειτουργίας, συντήρησης και της υποβάθμισης, εάν υπάρχει, του ηλεκτρικού eNV200, το οποίο, όταν έγινε το βίντεο, είχε ταξιδέψει συνολικά 100.300 μίλια (161.417 χιλιόμετρα) με το αντίστοιχο πετρελαίου Nissan NV200 που θα είχε διανύσει 100.000 μίλια (160.934 Km) σε 5 χρόνια. Στο βίντεο δείχνει πολύ δίκαια και διεξοδικά το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του ντίζελ βαν (τρέχοντα χρόνο στο βίντεο 2:28-5:57) που βγαίνει στις £16.398 (€18.417). Αντίστοιχος στο ηλεκτρικό βαν το κόστος λειτουργίας και συντήρησης, φορτίζοντας το βαν με σχετικά μέσο κόστος £0,15/ kWh (€0,17kWh) (τρέχοντα χρόνο στο βίντεο 6:00 έως 7:23) βγαίνει σε £4.050 (€4.548) εξοικονομώντας για κάποιον £12.348 (€13.868 €) από το ντίζελ βαν σε έξοδα λειτουργίας και συντήρησης.
Εάν κάποιος είχε ακόμη καλύτερη τιμή ηλεκτρικού ρεύματος £0,05 / kWh (€0,06kWh) (χρόνος λειτουργίας στο βίντεο 7:40 έως 8:34) το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του φορτηγού θα ήταν £1.550 (€1.740 €) εξοικονομώντας κάποιον £14.848 (€16.676) απο το ντίζελ βαν σε έξοδα λειτουργίας και συντήρησης.
Στον 21ο αιώνα, προκειμένου τα ΗΟ να αποκτήσουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα σε σχέση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης πρέπει να αυξήσουν την Ενεργειακή πυκνότητα και την Δυναμικη πυκνότητα τους (δηλαδή το πόση ενέργεια αποθηκεύουν και πόσο γρήγορα μπορούν να την μεταδώσουν στο μοτερ του οχηματος.)
Από το 1970 μέχρι τα μέσα 1980[10] υπήρξε σημαντικός πειραματισμός με την ανάπτυξη της μπαταριάς. Διάφοροι συνδυασμοί λιθίου και άλλων υλικών δοκιμάστηκαν σε διάφορους συνδυασμούς. Ένα παράδειγμα ήταν ο συνδυασμός των Κάθοδον (Cathode) και Άνοδον (Anode) υλικον μπαταριας. Ένα πρωτότυπο της μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li-ion)[11] αναπτύχθηκε το 1985 από τον Akira Yoshino, σε συνεργασία με τους John Goodenough, Stanley Whittingham, Rachid Yazami και Koichi Mizushima που θεωρούνται οι πρόγονοι της μπαταρίας ιόντων λιθίου. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, αναπτύχθηκε η πρώτη εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου.
Η δυνατοτητα της μπαταριας Li-ion να επαναφορτιζετε καθημερινα και σε οποιοδήποτε στάδιο της φόρτισης της σε συνδυασμό με την πολύ καλή της ενεργειακή πυκνότητα[12] είναι αυτό που της δίνει το πάνω χέρι όταν συγκρίνεται με άλλες επαναφορτιζόμενες μπαταριές όπως τις μολύβδου οξέος η οποίο έχουν μια πολύ χαμηλή συγκριτική ενεργειακή πυκνότητα. Οι Νικελιου-καδμίου[13] και Νικελίου-υδριδίου μετάλλου μπαταρίες[14] επίσης έχουν σχετικά χαμηλή[15] συγκριτική ενεργειακή πυκνότητα και υποφέρουν από το φαινόμενο μνήμης. Στο φαινόμενο μνήμης[16] μια μπαταρία θυμάται πόσο είχε αποφορτιστεί σε προηγούμενες αποφορτιστεί λόγω του σχηματισμού κρυστάλλων και έτσι δεν επαναφορτίζετε πλήρως δίνοντας την εντύπωση ότι έχει χάσει την ικανότητά της να φορτιστεί πλήρως ξανά. Αυτά τα πλεονεκτήματα μιας πολύ ανώτερης πυκνότητας ισχύος και η έλλειψη του φαινομένου μνήμης βοήθησαν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου να γίνουν η ιδανική επιλογή για χρήση σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
Το 2008 η Tesla ήταν μία από τις πρώτες εταιρείες που παρουσίασε στον κόσμο ένα πλήρως ηλεκτρικό, οδικά νόμιμο, μαζικός παραγόμενο, ηλεκτρικό αυτοκίνητο με μπαταρία ιόντων λιθίου, ικανό να ταξιδεύει πάνω από 200mi (320Km) με μία μόνο φόρτιση. Αυτο ήταν το «Roadster»[17]. Το «Tesla Roadster» επίτηδες δημιουργήθηκε για να ανταγωνιστεί τα πιο πολλά γρήγορα σπορ αυτοκίνητα με την κύρια και σημαντικότερη διαφορά να είναι οτι το Roadster ήταν «πλήρως ηλεκτρικό», ενώ τα άλλα συγκρίσιμα σπορ αυτοκίνητα ήταν βενζινοκίνητα. Το Roadster εδιξε στον κόσμο ότι τα Ηλεκτροκίνητα Οχήματα[18] μπορούν να είναι ισάξια και να ανταγωνιστούν τα βενζινοκίνητα οχήματα χωρίς να υπερισχύσουν (είναι σε καμία περίπτωση κατώτερα από αυτά) με κάποιον τρόπο. Αντίθετα, το Roadster ήταν κατά κάποιο τρόπο καλύτερο και ασφαλέστερο από τα άλλα σπορ αυτοκίνητα.
Ωστόσο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν προβλήματα. Ένα από τα πιο σοβαρά είναι η εξάρτησή τους από την καλή παροχή του ορυκτού «κοβαλτίου». Αρχικά το κοβάλτιο αποτελούσε περίπου το 33% μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Σήμερα, αυτό το συστατικό είναι περίπου το 3% και μειώνεται σταθερά με σκοπό το 0% στο άμεσο μέλλον.
Από πολύ πριν την πρώτη γνωστή απομόνωσή του κοβαλτίου από άλλα ορυκτά το 1735[19] και μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα το κοβάλτιο είναι γνωστό για την εξαιρετική αντοχή του στην θερμότητα και την αντίσταση του στην οξείδωση. Έχει χρησιμοποιηθεί ως μια μπλε βαφή για γυαλί και κεραμικά[20]. Για τις ίδιες αυτές ιδιότητες έχει επίσης χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή τζετ και τουρμπίνες αερίου[21]. Η ικανότητα του κοβαλτιου να λειτουργήσει ως καταλύτης στις αντιδράσεις αποθείωσης[22] της διύλισης αργού πετρελαίου στη δημιουργία και την αύξηση των οκτάνιον σε καύσιμα όπως βενζίνη, ντιζελ, κηροζίνη, φυσικο αεριο και άλλα[23] έχουν κάνει το κοβαλτιο ένα βασικό συστατικό για τη βιομηχανία πετρελαίου.
Ενώ το κοβάλτιο είναι απαραίτητο για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η εξόρυξη του έχει δεχτεί επιτεθεί τα τελευταία χρόνια[24]. Μερικά από τα ορυχεία κοβαλτίου της Λαϊκής Δημοκρατίας του Κονγκό συγκεκριμένα, λέγεται ότι χρησιμοποιούν ανθρώπους και παιδιά με τα χέρια τους για την εξόρυξη. Παρόλο που έχει σημειωθεί μεγάλη αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης για κοβάλτιο, το ποσό που αποδίδεται στα HO είναι ακόμα ένα σχετικά μικρό ποσοστό της συνολικής ζήτησης.