자동차 배터리가 왜 그렇게 무겁습니까?

내가 어렸을 때, 자동차 배터리는 납과 산으로 채워진 거대한 플라스틱 덩어리였습니다. 그들은 휴대 전화와 거의 같은 무게를 냈습니다 (약간의 과장, 죄송합니다).

45 년이 지난 후에도 자동차 배터리는 여전히 똑같이 보이고 무게는 동일합니다.

그렇다면이 현대와 연비에 중점을 두면서 왜 배터리의 무게가 여전히 40 파운드입니까? 기술의 진보로 인해 더 밝고 효율적으로 만들 수 없었던 이유는 무엇입니까?

이제 실제 질문에 대한 문자 질문 에 대한 답을 얻은 후에 슬프게도 묻지 않았습니다.

배터리 기술은 지난 100 년 동안 지금까지 이동했습니다. 납산 스타터 배터리는 1920 년에 자동차에서 일반적이되었으며, 납은 본질적으로 독이며, 유황 / 납 산은 그다지 위험하지 않습니다. 저온에서, 특히 정기적으로 유지 보수하지 않는 경우에는 실패하는 경향이 있으며, 생산하기에는 비용이 저렴하지만, 오래된 배터리를 회수하기위한 법적 요구 사항을 포함하여 전체 취급은 악몽이어야합니다.

왜 업계에서 선을 긋지 않고 LiIon 또는 좋은 ol 'NiCd 또는 NiMH 배터리와 같은 제품으로 전환하지 않았습니까? 이제 전기 자동차가 그에 따라 몇 년 동안 안정적으로 운전할 수 있음을 보여 주었습니까?

NiCd 배터리는 모든면에서 단순히 납산보다 에너지 밀도가 더 나쁩니다. NiMH는 더 우수하지만 훨씬 더 비싸며, 일반적으로 (더 비싸지 않는 한) 더 높은 배출 속도를 가지고 있습니다. 그리고 여전히 제대로 처리하기가 꽤 어렵습니다.

리튬 배터리는 다루기가 쉽지 않습니다. 당신은 모든 종류의 고장으로부터 그들을 보호해야하며, 그중 일부는 치명적입니다. 리튬 배터리를 과열시키지 마십시오. 폭발 할 것이다. 그리고 열이 모터 실 내부에 심각한 문제 (공정성에이 배터리는하지 않습니다 이 거기에있을, 그러나 그것은 매우 편리합니다).

주된 이유는 실제로 비용입니다. 마지막 자동차의 배터리 인 1999 년 피아트 푼토는 최대 100A를 공급했습니다. ) 전류이며 공칭 ​​용량은 약 30 Ah (12V · 30Ah = 360Wh의 에너지)입니다. 비용은 25 €였습니다. 대략 10 유로보다 저렴합니다.

따라서 대량 생산되어 저렴한 리튬 배터리 유형을 사용하십시오. 많은 랩탑 배터리 팩을 구성하는 일반적으로 발견되는 원형 셀은 약 3Ah (11.1Wh) 동안 각각 약 3 € (11.1Wh라고 말하자)이며, 최대 5A (정상, 오랫동안 그렇게하지 않음)를 공급합니다. 3.7V. 이것들 중 하나의 셀은 18.5W를 공급할 수 있다고 말합니다. 싼 자동차 배터리의 약 480W에 도달하려면 26 개가 필요합니다. 제어, 충전 및 보호 회로에 소비하는 유로를 제외하고 생산에 26 유로가 들지 않고 견고하고 안전한 것으로 포장하고 리튬이 희귀 금속 구성 요소를 생산하는 데 필요한 광물 배터리는 현재 저렴 해지지 않고 있으며 전 세계의 자동차를 장착하면 시장 메커니즘이 가속화 될 것입니다.

용량에 따른 비용 규모를 가정 해 봅시다. 내 26 셀 리튬 배터리의 에너지는 26 · 11.1Wh = 288.6Wh입니다. 납산 배터리와 동일한 360Wh를 달성하려면 1.25 배로 확장해야합니다.

이러한 세포의 무게는 약 90g입니다. 따라서 세포의 무게는 26 · 90g = 2.34kg입니다. 내 머리에 싼 자동차 배터리의 정확한 무게는 없지만 15kg이라고 가정 해 봅시다. 따라서 케이싱 및 전자 장치가 가벼우면 무게를 약 6.3 배 절감했습니다. 당신의 자동차의 발전기와 그것들은 주로 꽤 큰 구리 코일로 구성되어 있으며, 아마도 가볍지 않은 페라이트 코어로 구성되어 있습니다).

이로 인해 구성 요소 A와 구성 요소 대체 B 사이의 비용 요소는 약 3.5이며, 처리 단점, 안정성 및 공급망 변경이 적습니다. 자동차 산업이 그 방향으로 나아 가지 않는 것도 당연합니다. (그리고 그들은 훌륭한 로비가 있습니다.)

따라서 분명한 대답이 먼저 있습니다.

왜 배터리의 무게는 여전히 20kg입니까?

그들은 여전히 ​​같은 납산 배터리이기 때문입니다. 그렇게 간단합니다. 신뢰성과 취급 용이성에 가까운 다른 기술은 암페어 당 저렴한 비용 (및 암페어-시간) 근처에 없었습니다. "연료 경제"가 여전히 평균 신차가 수십 킬로그램의 "편안함"기능을 가지고 있으며 금속 부품만으로는 약 1 Mg의 무게를 지니고 있다고 생각한다면 20kg은 그렇게 무겁지 않습니다.

45 년이 지난 후에도 자동차 배터리는 여전히 똑같이 보이고 무게는 동일합니다.

45? 120 년 정도 더 ... 근데 우리는 여전히 강철로 교량을 만들고 콘크리트는 더 나아졌지 만 여전히 콘크리트입니다. 아스팔트는 도로에 사용하고 구리는 여전히 가장 좋아하는 도체입니다. 바이폴라 트랜지스터 기반 클래스 A / B 증폭기와 냉장고는 여전히 효율적인 열전달 수단이 아니라 다소 위험한 유체를 압축합니다.

최신 배터리는 차량 수명보다 훨씬 가볍고 비용이 적게 듭니다. 그러나 그들은 LA (lead acid) 화학을 사용하지 않습니다.

LiFePO4 (Lithium Ferro Phosphate) 배터리는 허용 가능한 전체 수명 비용으로 요구되는 작업을 더 높은 초기 자본 비용으로 수행하므로 자동차 제조업체에게는 매력적이지 않습니다.

초기 자본 비용이 낮은 것이 LiFeO4보다 납산을 선호하는 주된 이유 인 것 같으며 다른 좋은 이유가 있는지는 확실하지 않습니다.

사이클 수명은 납산보다 훨씬 길어 전체 수명 비용이 납산보다 낮습니다.

LiIon (리튬 이온)과 달리 "심장을 통한 스파이크"는 LiIon의 문제를 일으키지 않습니다.

충전 제어는 "충분히 쉽습니다".

납 산과 비교하여 :

허용 방전 깊이 및 최대 허용 충전 속도가 더 높음

온도 범위가 좋습니다

충전 효율이 좋습니다.

자체 방전 성능이 더 좋습니다.

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리튬 이온 / 리튬 :

LiIon 배터리는 안전과 관련하여 종종 "나쁜 프레스"가 표시되므로 이에 대한 언급이 필요합니다.

납산에 비해 LiIon 화학 은 실질적으로 더 나은 질량 및 에너지 밀도 (가벼우면서도 더 작음), 더 긴 사이클 수명, 더 높은 자본 비용 및 아마도 더 우수한 전체 수명 비용을 제공합니다. 올바르게 관리하고 충전 제어가 더 쉽습니다. 온도 범위가 좋고 충전 / 방전 효율이 다소 우수합니다. 안전과 관련된 단점은 크게 문제가되지 않습니다. 아래를 참조하십시오.

많은 애플리케이션에서 LiIon 배터리는 Samsung 휴대폰에 드림 라이너에서 "호버 보드 ', 화성 로버스에 노트북과 스마트 폰에 MP3 플레이어 등에 대한 - 선택의 배터리. 위의 처음 세 가지 응용 프로그램은 알려진 놀라운 실패로 선정되었습니다. 그러나 Mars Rover에 사용 된 모든 제품은 수명이 길고 적대적인 환경에 적합하도록 선택되어 작업에 실패하지 않아야합니다. 그리고 사람들의 주머니와 집과 자동차 등에 매일 수억 개의 리튬 이온 배터리가 사용됩니다.

리튬 이온 배터리가 고장날 수있는 방법을 고려할 때 DO가 눈에 띄게 실패하는 숫자는 매우 드 rare니다. 광범위하게보고되는 고장은 대량 생산 또는 저용량 bu high profile 응용 분야에서 생산 및 분배 된 배터리 모델 또는 배치에 영향을 미치는 일부 시스템 고장으로 인해 종종 발생합니다. 이러한 경우, 설계 또는 제조 결함 또는 단점은 LiIon 화학의 용서할 수없는 행동으로 인해 결과가 악화되는 고장을 유발하거나 허용합니다.

예를 들면 과거 애플 노트북, 삼성 폰, 자체 균형 잡기 호버 보드 등에서 "화염과 함께 환풍"이벤트가 널리 퍼져있다. 첫 번째 두 가지 예에서, 유능한 제조업체는 일반적으로 설계 결함이 안전 마진을 따라 잡는 정도까지 제조상의 수정되지 않은 및 / 또는 눈에 띄지 않거나 잘린 모서리가 존재하도록 허용했습니다. "호버 보드"의 경우, 그 원인을 알 수 없지만 저품질 제조 및 낮은 전하 제어가 다른 것만 큼 중요합니다. 소비자 장비에서 리튬 이온 배터리 고장은 부적절한 간극 및 그에 따른 충격 감도 또는 통계적 제조 공차 변동의 최후에 도달하여 셀에서 발생하는 단락으로 인해 종종 발생합니다.

Boeing Dreamliner 배터리 고장의 경우, 매우 근사한 제품 볼륨에서 다수의 잘 알려진 고장 (아마도 몇몇 미공개 고장)이 발생하는 동안 최종 근본 원인 보고서 BUT을 보지 못했지만 그 결과는 놀라 울 정도로 잘 포함되어 있습니다. .

LiIon 고장 및 모드 및 결과에 대한 자세한 조사 결과, 이들이 인기있는 '신화'가 제시하는 것만 큼 거의 폭력적인 곳은 거의 없으며 에너지 방출이 상당하지만 엔지니어링 용어로는 격리가 비교적 쉬운 것으로 나타났습니다. 봉쇄는 무게와 부피 및 비용을 추가하며 랩탑 또는 휴대용 / 휴대용 장치에서 찾기에는 적합하지 않습니다. 이 제품은 Dreamliners에서 발견되며 자동차 단일 배터리 (예 : 비 EV) 응용 제품에 쉽게 사용할 수 있으며 무게와 부피는 납산 수준 이하로 유지하면서도 추가 비용이 거의 들지 않습니다. 전기 자동차 응용에서 문제는 "충분히"해결되거나 수용된 것으로 보인다. 나는 vehiclar 안전 규제 분야에 대한 전문 지식이 있습니다. 그러나 충돌 충돌 영상을 제공하고 승용차의 고 휘발성 석유 연료 취사를 허용하는 규정도 LiIon 전원 주변의 안전 문제를 해결한다고 확신합니다. 배터리 고장으로 인해 '테슬라 (Tesla)'자동차가 몰려 들었다는 이야기는 들리지 않았지만, 머스크와 공동은이 위험 영역이 "적절하게 준비되어있다"고 생각한다.

나는 실망스럽게도 LiIon vent-with-flame 이벤트를 본 적이 없으며 누구도 개인적으로 알지 못합니다. 때때로 뉴질랜드 뉴스 (NZ 인구는 5 백만 미만)를 만들기에 충분합니다.

LiIon 대 LiFePO4 :

한 LiFePO4에 비해 LiIon의 화학 제안 조금 더 나은 (다소 가벼운 & 작은) 질량과 에너지 밀도, 실질적으로 LOWER 사이클 수명, 약간 낮은 자본 비용 (에너지 당 용량), 및 생활 비용 전체를 실질적으로 열등한. 충전 제어는 거의 동일하지만 LiFePO4는 주변 케이스의 손상을 상당히 어렵게합니다. 온도 범위가 좋지 않고 충 방전 효율은 거의 같습니다. LiFePO4는 안전 문제의 영향을 훨씬 덜받습니다.

크기와 무게가 가장 작고 자본 비용이 가장 낮은 지역 (전기 자동차 사용이 좋은 예)에서 LiIon은 LiFePO4보다 우수합니다.

거의 모든 다른 분야와 응용 분야에서 LiFePO4는 LiIon보다 낫거나 훨씬 우수하며 고 에너지 긴 수명, 높은 사이클 수 에너지 저장을 위해 현재 배터리 기술로 선택하고 싶습니다.

리튬 스타터 배터리 는 주로 중량 절감 또는 자랑 할만한 가치가있는 레이싱 또는 기타 성능 또는 고급 응용 분야를 위해 존재합니다 .

그러나 다른 사람들이 지적했듯이, 응용 분야의 요구는 다소 극단적이며 리튬 기술은 자동차에서 스타터 / 액세서리 배터리의 역할을 안정적으로 안전하게 수행 할 수 있도록 많은 특별한 개발과 관리가 필요합니다. 가격은 일반 납 배터리보다 10 배에서 20 배까지 매우 높습니다. 대부분의 사람들은 자동차 배터리에 1000 달러를 지불하고 싶지 않기 때문에 그렇지 않습니다.

대답은 매우 간단합니다. 더 나은 것을 찾지 못했기 때문입니다.

자동차 배터리는 오랜 시간 동안 충전 상태를 유지해야하며, 큰 전류를 공급하고 작은 공간에 적합해야합니다. 너무 비싸지 않으면 도움이 될 것입니다.

납 산은 여전히 ​​이러한 요구 사항에 가장 적합한 솔루션입니다.

리튬 기반 화학을 사용할 수 있으며 충전을 유지하고 큰 전류를 공급할 수 있습니다. 또한 훨씬 비싸고 온도에 민감하며 전기적으로 더 많은 관리가 필요하며 전기적으로나 기계적으로 잘못 다루면 더 훌륭합니다.
추가 비용과 복잡성은 자동차 최종 질량의 <1 % 감소의 이점을 단순히 가치가 없습니다.

게시물 끝에 새로운 질문을 추가 한 것을 확인했습니다.

기술의 진보로 인해 더 밝고 효율적으로 만들 수 없었던 이유는 무엇입니까?

화학이 작동하는 방식이 아니기 때문입니다.

단일 유형의 배터리 용량은 사용자가 가진 이온의 양에 의해 정의됩니다. 즉 납산 배터리의 경우 필요한 납의 양과 구조를 그대로 유지하기위한 것입니다.

이제 다른 배터리 유형은 표면이 부족하거나 이온 이동성이 제한되어 배터리의 고전류 공급 능력을 제한하지만 납 축전지의 배터리 용량을 늘리기 위해 할 수있는 일은 많지 않습니다. 물은 납산 배터리의 현재 소싱 능력은 최대로 거의 없습니다.

따라서 이는 단순히 성숙한 기술입니다. 지난 80 년 동안 값싼 시공 강재를 훨씬 더 잘 만들지 않은 것처럼 납산 배터리를 사용하여 납산 원리를 포기하지 않고 배터리를 개선 할 수있는 방법은 많지 않습니다. .

스타터 배터리로 슈퍼 커패시터를 사용하는 것은 가능하며 실제로 애호가가 시도했습니다 ( 예 참조) . 더 높은 가격 외에도 실제적인 어려움의 몇 가지 예가보고됩니다 :

• 슈퍼 캡만으로는 납 배터리보다 자동차를 더 쉽게 시동 할 수 있으며, 지속적으로 충전되지 않으면 약 30 분 동안 라디오 청취가 가능합니다.
• 직접 연결된 리튬 배터리 + 수퍼캡 콤보는 위에서 겪지 않지만 잔디 깎는 기계를 시작하기 위해 사용할 때 손상되었습니다. Li 배터리는이를 방지하기 위해 추가 전자 장치가 필요합니다.

주로 한 가지 이유 : 가격. 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리와 같이 기술적으로 더 나은 대안이 있지만 훨씬 비쌉니다. 이 배터리는 차량의 무게를 크게 늘리지 않고 대용량이 필요한 전기 자동차에 절대적으로 필요합니다 (자동차의 유일한 에너지 공급 장치로 연료 탱크를 교체 해야하는 경우 납 배터리가 너무 무거울 수 있습니다). 연료 동력 자동차는 모터 시동에 사용되는 단일 클래식 납 배터리의 무게는 자동차 무게와 비교하여 크지 않지만 가격 / 용량 비율은 크게 낮습니다. 비용 / 효율 문제입니다. 비용이 저렴하고 자동차 요구에 충분한 에너지를 제공하며 무게는 관련이 없습니다.