Energiaallikas: akupatarei

Elektriautodel peab kaasas olema allikas, millelt saadakse elektrienergiat, see energia muundatakse mehaaniliseks energiaks elektrimootoris, mis paneb sõiduki liikuma. Elektrienergia saadakse harilikult muundades salvestatud keemilist energiat, mis on salvestatud seadmetes nagu akupatareid või kütuseelemendid. Alternatiivseks kaasasolevaks allikaks on hooratas, milles energia on salvestatud mehaanilisel kujul ja muudetakse elektrienergiaks sõiduki liikumiseks. Kaasasolev elektrienergia allikas kujutab endast suurimat tõket elektriautode levikuks. Teiseks lahenduseks looduse saastamise minimiseerimiseks, sest elektriautode jaoks puudub sobiv kõrge energiatihedusega energiaallikas, on hübriidelektriveokid, mille liikuma panekuks on nii bensiinimootor kui ka elektrimootor.

Võimalike energiaallikate erienergiate võrdlus on esitatud tabelis. Erienergia arvutatakse energiaallika massiühiku kohta, kusjuures harilikult ei arvestata kadusid. Vesiniku ja maagaasi erienergia on tegelikult palju madalam kui bensiinil, kui arvestada kadusid.
Võimalikud on erinevad kaasasolevad energiaallikad, kuid akupatareid on olnud elektriautos enim kasutatavad energiaallikad alates nende veeremite uurimise ja arendamise programmide algusest saadik. Müügil olevate elektriautode korral kasutatakse tänapäeval elektrienergia allikana akupatareisid. Erinevate akupatareide võrdlemisel kasutatakse mõisteid nagu erienergia, erivõimsus, tööiga, jne. Sõnad eesliitega "eri-" tähendavad suurust massiühiku kohta (väljaarvatud vananenud mõisted nagu eritakistus, erijuhtivus).
Erivõimsus on võimsus allika massiühiku kohta. Patarei tööiga on tühjendamistsüklite arv tema töötamisel mingis seadmes. Patareidelt, mida kasutatakse elektriautodes, soovitakse kõrget erivõimsust, kõrget erienergiat, kõrget laengu vastuvõtlikkuse määra ümberlaadimisel ja regeneratiivsel pidurdamisel ning pikka kalendrilist ja tsüklilist tööiga. Lisaks sellele vajatakse meetodeid ja kujundusi patarei segmentide ja pakkide elektriliseks ja termiliseks tasakaalustamiseks, täpseid menetlusi, et määrata patarei laadimisastet ning patarei komponentide ümbertöödeldavuse võimalusi. Ning kõigepealt peab patareide hind olema selline, et elektriautod oleksid majanduslikult elujõulised.
Viimase 30 aasta kestel on patareide tehnoloogia läbinud olulisi uurimise ja arenduse etappe, kuid ka praegu puudub patarei, millel oleks vastuvõetav võimsuse, energia ja tööea tsükli kombinatsioon sõiduki massiliseks tootmiseks. Turule on tulnud vaid mõned elektriautod ja nende patareid on liiga kallid ning nende kalendaarne tööiga on liiga lühike.
Energiaallikas
Nominaalne erienergia (Wh/kg)
Bensiin
12500
Maagaas
9350
Metanool
6050
Vesinik
33000
Kivisüsi
8200
Plii-happe akupatarei
35
Liitium-polümeer patarei
200
Hooratas (süsinik-fiiber)
200

Akupatarei põhimõisted

Patarei on valmistatud ühikelemendina, ta sisaldab keemilist energiat, mis on muundatav elektrienergiaks. Üks või mitu sellist elektrolüütilist elementi on ühendatud jadamisi ning nad moodustavad patarei. Grupeeritud elemendid on suletud korpusse ning nad moodustavad patarei mooduli. Patarei pakk koosneb sellistest üksikutest patarei moodulitest, mis on ühendatud jadamisi ning rööbiti, et anda nõutav pinge ja energia võimsuselektroonika ajamisüsteemile.
Energia, mis on salvestatud patareis on vabaenergia vahe keemiliste komponentide laetud ja tühjenenud olekus. See elemendis olev keemiline energia muundatakse elektriliseks energiaks vaid vajaduse korral, kasutades ühikelemendi põhikomponente, need on positiivsed ja negatiivsed elektroodid, separaatorid, ja elektrolüüt. Positiivse ja negatiivse elektroodi elektrokeemiliselt aktiivseid osiseid nimetataksee aktiivmaterjaliks. Nendel kahel elektroodil toimuvad keemilise oksüdatsiooni (hapendamise) ja reduktsiooni (taandamise) protsessid, mis seovad või vabastavad elektrone. Elektroodid on elektriliselt juhtivad ja asuvad separaatorite vahel. Patarei talitluse korral toimuvad mõlemal elektroodil keemilised reaktsioonid, mis tekitavad elektronide voolu ühelt elektroodilt teisele; kuid elektronide vool elemendi sees toimub vaid siis, kui keemilistes reaktsioonides genereeritud elektronid saavad voolata läbi välise elektriahela, mis ühendab kahte elektroodi. Ühenduspunkte elektroodide ja välise ahela vahel nimetatakse patarei klemmideks. Väline ahel tagab, et enamus salvestatud keemilisest energiast vabaneb vaid vajaduse korral ja teda kasutatakse elektrienergia kujul. Tuleb märkida, et vaid ideaalse patarei korral tekib vool ainult siis, kui elektroodide vaheline ahel on suletud väliselt. Kahjuks toimub paljude patareide korral aeglane tühjenemine seoses difusiooni efektidega ning nad pole seetõttu eriti head energia pikaajaliseks salvestamiseks. Aeglast tühjenemist klemmide avaahela korral nimetatakse isetühjenemiseks ja seda kasutatakse kui patarei kvaliteedi ühte näitajat.

Patarei elemendi komponendid on järgmised:
     1. Positiivne elektrood: positiivne elektrood on oksiid või sulfiid või mõni muu ühend, millel toimub taandamine elemendi tühjenemisel. See elektrood saab elektrone välisahelast elemendi tühjenemise ajal. Positiivseks elektroodiks võib olla pliioksiid (PbO2) ja nikkel-oksühüdroskiid (NiOOH). Elektroodi materjalid on tahkiskujul.
     2. Negatiivne elektrood: negatiivne elektrood on metall või sulam, mis võib oksüdeeruda elemendi tühjenemisel. See elektrood genereerib elektrone välisahelasse elemendi tühjenemisel. Negatiivseks elektroodiks võib olla plii (Pb) või kaadmium (Cd). Negatiivse elektroodi materjalid on samuti tahkiskujul patarei elemendi sees.
     3. Elektrolüüt: elektrolüüt on keskkond, mis tagab ioonjuhtivuse elemendi positiivse ja negatiivse elektroodi vahel. Elektrolüüt peab omama kõrget ja selektiivset juhtivust ioonidele, mis võtavad osa elektroodreaktsioonidest, kuid ta peab olema mittejuht elektronidele, et vältida patareide isetühjenemist. Elektrolüüt võib olla vedelik, geel või tahke materjal. Elektrolüüt võib olla happeline või leeliseline sõltuvalt patarei liigist. Traditsiooniliste plii-happe ja nikkel-kaadmium patareide korral on elektrolüüdiks vedelik. Plii-happe patareide elektrolüüt on väävelhappe vesilahus (H2SO4). Elektriautode jaoks arendatakse uusi patareisid. Kinnistes plii-happe, nikkel-metall-hüdriid ja liitium-ioon patareides kasutatakse elektrolüüti geeli, pasta või vaigu kujul. Liitium-polümeer patareides on tahke elektrolüüt.
     4. Separaator: separaator on elektriliselt isoleeriva materjali kiht, mis eraldab füüsiliselt erineva polaarsusega elektroode. Separaatorid peavad olema läbitavad elektrolüüdi ioonidele ja neil võib olla ka elektrolüüdi hoidmise või immobiliseerimise funktsioon. Tänapäeva separaatorid on valmistatud sünteetilistest polümeeridest.

On olemas kahte tüüpi patareisid: primaarpatareid ja sekundarpatareid.
Patarei, mida ei saa uuesti laadida ja mis on ette nähtud vaid ühekordseks tühjendamiseks, – on primaarpatarei. Sellised on näiteks liitiumpatareid, mida kasutatakse kellades, kalkulaatorites, kaamerates, jne, ja mangaan-dioksiid patareid, mida kasutatakse suurtes mänguasjades, raadiotes, taskulampides, jne.
Kui patareid saab uuesti laadida vooluga, mis on vastassuunas tühjenemisvoolule, – siis on sekundaarpatarei. Keemilise reaktsiooni protsess elemendi laadimisel, kui energia muundatakse keemiliseks energiaks, on vastupidine protsessile, mis toimub tühjenemisel. Elektriautode korral vajatakse patareisid, mis on sekundaarpatareid, sest toimub nende uuesti laadimine sõiduki talitluse regenereerimistsüklil või patarei laadimistsüklil, kui sõiduk on välja lülitatud ning kasutatakse laadijat.
Elektriautode korral kasutatakse uuestilaetavaid patareisid ehk akupatareisid:
     · plii-happe (Pb-acid)
     · nikkel-kaadmium (NiCd)
     · nikkel-metall-hüdriid (NiMH)
     · liitium-ioon (Li-ion)
     · liitium-polümeer (Li-poly)
     · naatrium-väävel (NaS)
     · tsink-õhk (Zn-Air)

Plii-happe akupatareid olid kasutusel kõige varem, neid kasutati golfikärudel, reisijate veol lennujaamades, kahveltõstukitel ladudes ja supermarketites. Naatrium-väävel patareid näisid väga lubavad 1980-tel, nendel on kõrge energia ja võimsuse tihedus, kuid ohutuse ja valmistamise raskused põhjustasid selle tehnoloogia hülgamise. Patareide tehnoloogia arenes edasi koos madala võimusega tarvikutega nagu mobiiltelefonid ja kalkulaatorid, see avas võimalused nikkel-kaadmium ja liitium-ioon tüüpi patareide kasutamiseks elektriautodes.
Patareide arendus on suunatud oluliste praktiliste ja valmistamise raskuste ületamisele. Patareide teoreetilised ja praktiliselt saavutatud erienergiad on võrdluseks toodud tabelis.
Patareibbbbbbbbb  Teoreetiliselt  Praktiliselt 
Plii-hape
108
50 
Nikkel-kaadmium  
20-30
Nikkel-tsink  
90
Nikkel-raud  
60
Nikkel-kloor  
90
Hõbe-tsink
500
100
Naatrium-väävel
770
150-300
Tsink-õhk  
300


Plii-happe akupatareid

Plii-happe patareid on elektriautodes kõige enam kasutusel. Plii-happe patareisid saab kujundada suurtele võimsustele, nad on odavad, ohutud ja töökindlad. Nendele on olemas jäätmekäitluse infrastruktuur. Kuid nende kasutamist elektrisõidukis takistavad madal erienergia, omaduste halvenemine madalal temperatuuril, lühike kalendriline ja tsükliline tööiga.
Plii-happe patareid võeti kasutusele juba 19. sajandi keskel, esimene plii-happe patarei valmistati aastal 1859, 1980-tel valmistati üle 100 000 000 akupatarei aastas.
Plii-happe akupatareide pikka eksisteerimist on soodustanud järgmised põhjused:
     · suhteliselt madal hind;
     · kergesti kättesaadavad toormaterjalid;
     · lihtne valmistamine;
     · soodsad elektromehaanilised karakteristikud.
Akupatarei elemendi talitlus koosneb elemendi tühjenemise operatsioonist, kui energia antakse patareilt elektrimootorile, et arendada liikumisvõimsust, ja elemendi laadimise operatsioonist, kui energia antakse väliselt allikalt ja salvestatakse patareis.

Elemendi tühjenemise operatsioon
Elemendi tühjenemise operatsioonil saadakse elektronid positiivselt elektroodilt, nad antakse sellele negatiivselt elektroodilt. Vool kulgeb seega positiivselt elektroodilt koormusele ning patarei toimib energia allikana.

Positiivse elektroodi võrrand: PbO2(s) + 4 H+(aq) + SO42–(aq) + 2e » PbSO4 + 2H2O(l).
Siin ja allpool (s) näitab tahkiskuju, (l) näitab vedelikkuju, (aq) on vesilahust.

Positiivsel elektroodil on väga pooriline struktuur, et suurendada PbO2(s)/elektrolüüdi kontaktpinda, mis on umbes 40 kuni 150 m2 patarei mahutavuse Ah kohta. See tekitab suurema voolutiheduse, kui toimub PbO2 muundamine kujule PbSO4(s). Kui tühjenemine jätkub, siis tõuseb elemendi sisetakistus seoses PbSO4 tekkimisega ja alaneb elektrolüüdi erijuhtivus seoses H2SO4 tarbimisega. PbSO4(s) on salvestatud mõlemal elektroodil tihedal peeneteralisel kujul ja see võib tekitada sulfateerimise. Tühjenemise reaktsiooni takistab oluliselt PbSO4 tekkimine, mis alandab elemendi mahutavust oluliselt võrreldes teoreetilise mahutavusega.

Negatiivse elektroodi võrrand: Pb(s) + SO42–(aq) » PbSO4 + 2e.
Tühjenemise operatsioonil vabanevad elektronid negatiive elektroodi juures. PbSO4(s) tekkimine halvendab patarei omadusi, ta muudab negatiivse elektroodi passiivsemaks.
Üldine elemendi tühjenemise keemiline reaktsioon: Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) + 2e » PbSO4 + 2H2O(l).

Elemendi laadimise operatsioon
Elemendi laadimise operatsioon on vastupidine elemendi tühjenemise operatsioonile. Elemendi laadimisel muundatakse pliisulfaat tagasi plii ja pliioksiidi kujule. Elektrone antakse väliselt allikalt negatiivsele elektroodile, aga positiivse elektroodi juures elektronid vabanevad. Vool voolab positiivsele elektroodile väliselt allikalt, andes elektrienergiat elemendile, millel see muundatakse keemiliseks energiaks.

Positiivse elektroodi võrrand
: PbO4(s) + 2H2O(l) » PbO2(s) + 4 H+(aq) + SO42–(aq) + 2e.
Negatiivse elektroodi võrrand: PbSO4 + 2e » Pb(s) + SO42–(aq).
Üldine elemendi laadimise keemiline reaktsioon: PbSO4 + 2H2O(l) » Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) + 2e .

Harilikult on plii-happe patareid täidetud elektrolüüdiga täielikult, hape katab kõiki plaate. See paneb piirangud patarei asendile, mis tekitab raskusi kaasasoleva allika korral. Kui püütakse luua hermeetiliselt suletud patareid, siis tekib probleem seoses vesiniku ja hapniku plahvatusohtliku segu tekkimisega, kui patarei on laetud täis või toimub liiglaadimine. Selle probleemi lahenduseks on ventiiliga varustatud plii-happe patareid, milles positiivse elektroodi juures vabanev hapnik saab liikuda negatiivsele elektroodile, kus ta osaleb pliisulfaadi moodustumisel. Hermeetilised ventiiliga patareid valmistakse geel-patareide või absorbtiiv-klaas-mikrofiiber patareide kujul. Nende tüüpide korral toimub väävelhappe-elektrolüüdi immobiliseerimine separaatoris ja aktiivmaterjalides, kuid need materjalid on piisavalt poorsed, et toimuks hapniku difusioon läbi separaatori negatiivsele plaadile.

Konstruktsioon
Tüüpilise patarei konstruktsioon koosneb positiivse ja negatiivse elektroodi gruppidest, mis paiknevad vaheldumisi ja moodustavad elemendi. Positiivne plaat on valmistatud tihkest aktiivmaterjali pastast võrekujulisel raamil. Võre on valmistatud pliisulamist ja ta kujutab patarei raami, mis hoiab aktiivmaterjali. Positiivsed plaadid võivad olla pastaga täidetud lamedal või torude kujul. Negatiivsed plaadid on alati valmistud pastaga täidetud kujul.


Alternatiivsed akupatareid

Nikkel-kaadium (NiCd) patarei
Nikkel-kaadmium (NiCd) ja nikkel-metall-hüdriid (NiMH) akupatareid on leelispatareide näited, milles elektrienergia saadakse metalli ja hapniku vahelise keemilise reaktsiooniga leeliselises elektrolüütkeskkonnas. Leeliseliste patareide erienergia väheneb seoses kandurmetalli kaalu lisamisega. NiCd patareis kasutatakse nikkeloksiidi positiivse elektroodina ja metallilist kaadmiumi negatiivse elektroodina.
Elemendi tegelik pinge on 1,2 kuni 1,3 V, kaadmiumi aatomimass on 112. NiCd patareide erienergia on 30 kuni 50 W/kg, mis on peaaegu sama kui plii-happe akupatareidele. NiCd patareide eeliseks on paremad omadused madalal temperatuuril võrreldes plii-happe patareidega, lame tühjenemispinge karakteristik, pikk tööiga ja kõrge töökindlus. Selle patarei hooldusnõuded on samuti madalad. NiCd patareide suurimaks puuduseks on kõrge hind ja temas oleva kaadmiumi mürgisus. Keskkonna nõuded on siiski ületatavad, kui arvestada pikka tööiga ja efektiivset jäätmete töötlemist, kuid NiCd patarei ei anna piisavat võimsust ja see on piisav põhjus, miks neid patareisid ei kasutata elektriautodes. NiCd patareide puuduste tõttu arendati kiiresti NiMH patareid, mis on elektriautodele palju sobivamad.

Nikkel-metall-hübriid (NiMH) patarei
Nikkel-metall-hüdriid (NiMH) akupatarei on nikkel-vesinik patarei järglane ja seda kasutakse juba elektriautode valmistamisel. M tähendab metallilist sulamit, mille ühinemisel vesinikuga keskkonna temperatuuril tekib metallhüdriid MH x. NiMH patarei korral on positiivseks elektroodiks nikkeloksiid (nagu NiCd patarei korral), aga negatiivseks elektroodiks on metallhüdriid, millesse salvestatakse vesinikku. NiMH patarei põhimõte seisneb selles, et teatud metallilise sulami peened osakesed, kui need on pandud vesiniku kätte teatud rõhul ja temperatuuril, absorbeerivad suure koguse gaasi, mis moodustab metall-hübriidi ühendi. Veelgi enam, metallhüdriidid võivad palju kordi vabastada ja siduda vesinikku ilma, et nad vananeksid.
Negatiivne elektrood koosneb peente metallosakeste pressitud massist. NiMH patareis on kasutusel erilised sulamid, mida nimetatakse AB5 ja AB2 sulamiteks. AB5 sulami korral on A haruldaste muldmetallide segu ja B on osaliselt asendatud nikkel. AB2 sulami korral on A titaan või tsirkoon ja B on samuti osaliselt asendatud nikkel. AB2 sulamil on suurem mahutavus vesiniku salvestamiseks ja ta on odavam. NiMH korral on talitluspinge umbes sama kui NiCd korral, tühjenemiskarakteristikud on lamedad. NiMH mahutavus on palju kõrgem kui NiCd korral, erienergia on piirides 60 kuni 80 Wh/kg, NiMH patareide erivõimsus on samuti kõrge - 250 W/kg.
MiMH patareid on tulnud turule viimastel aastatel tohutu kiirusega. Nt Crisleri elektriautol „Epic“ on NiMH patareipakk mis tagab läbisõidu 150 km. NiMH patarei komponendid on ümbertöödeldavad, kuid ümbertöötlemise infrastruktuur pole veel välja kujunenud. NiMH patarei elutsükkel on palju pikem kui plii-happe patareidel, nad on ohutud ja vähenõudlikud. NiMH patareide puuduseks on nende kõrge hind, kõrgem isetühjenemise määr võrreldes NiCd patareiga, halb laengu vastuvõtuvõime kõrgetel temperatuuridel ja elemendi madal kasutegur. NiMH patareid võivad olla kasutusel ka tulevikus kui põhilised ümberlaetavad patareid veorakendustele, nendega konkureerivad vaid liitium-ioon patareid.

Li-ioon patarei
Liitium-metallil on kõrge elektrokeemiline taandamispotentsiaal (3.045 V) ja kõige madalam aatomimass (6.94), tänu millele võib saada 3 V elemendi potentsiaaliga patarei, kui kasutada sobivat positiivset elektroodi. Liitium-primaar-elemendid tulid kasutusele 1970-tel aastatel ja kohe kerkis huvi ka sekundaar-liitium-elementide vastu, kuid põhiliseks raskuseks oli liitium-metalli kõrge reaktiivsus niiskuse suhtes, mis ei lasknud kasutada vedelaid elektrolüüte. 1970-te lõpus avastati, et liitium võib absorbeeruda koobalti või nikli kristallvõresse ning moodustada LiCoO2 või LiNiO2, see avas võimaluse Li-ioon patareide arendamiseks. Metall-liitiumi asemel võeti liitium-ioon patareides kasutusele liitiumabsorbeeritud süsinikud (LixC) grafiidi või koksi kujul negatiivsel elektroodil ning liitium-metall-oksiidi kujul positiivsel elektroodil. Grafiit saab võtta liitiumi kuni komponendini LiC6. Enamuse liitium-ioon patareide korral kasutatakse koobalt-oksiidi positiivse elektroodina, mis on küll kallis, kuid on osutunud kõige rahuldavamaks lahenduseks. Alternatiivse positiivse elektroodi aluseks võib olla nikkel-oksiid LiNiO2, mis on keerulisema struktuuriga, kuid odavam. Omadused on samad kui koobalt-oksiid elektroodidel. On uuritud ka mangaan-oksiidi alusel positiivseid elektroode (LiMn2O4 või LiMnO2), mangaan on odavam, levinud metall ja vähem toksiline.
Elemendi tühjenemisel vabanevad liitium-ioonid (Li+) negatiivselt elektroodilt, liiguvad läbi orgaanilise elektrolüüdi positiivsele elektroodile. Positiivsel elektroodil võetakse liitium-ioonid liitium-kompaund-materjali koosseisu. See protsess on täielikult pööratav.
Kui toimub elemendi laadimine, siis liitium-ioonid liiguvad vastassuunas positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile. Liitium-ioon patarei nominaalne elemendi pinge on 3.6 V, mis on ekvivalentne kolme NiMH või NiCd patarei elemendile.
Liitium-ioon patareid omavad kõrget erienergiat, kõrget erivõimsust, kõrget energia-kasutegurit, häid omadusi kõrgel temperatuuril ja madalat isetühjenemist. Liitium-ioon patareide komponendid on ümbertöödeldavad. Tänu nendele omadustele on Li-ioon patareid eriti sobivad elektriautode ümberlaetavateks patareideks.

Li-polümeer patarei
Liitium-polümeer töötati välja koos tahkiselektrolüütidega, st tahkised, mis juhivad ioone, kuid on isolaatorid elektronidele. Tahkiselektrolüüdid ilmusid 1970-tel, kui uuriti ioonjuhtivust polümeerides. Need patareid on tahkispatareid, sest nende elektrolüüdid on tahked ained. Kõige tuntum polümeer-elektrolüüt on polüetüleen-oksiid, mis on kompaundeeritud vastava elektrolüütsoolaga.
Kõige paljulubavam positiivse elektroodi materjal Li-polümeer patareidele on vanaadiumoksiid V6O13. See oksiid seob kuni kaheksa liitiumi aatomit oksiidi molekuli kohta. Li-polümeer patareid võivad omada suurimat erienergiat ja -võimsust. Tahkispolümeerid, mis asendavad süttimisohtlikke vedelelektrolüüte teistes patareitüüpides, juhivad ioone temperatuuril üle 60°C. Tahkispolümeeride kasutamine on ka suureks ohutuseeliseks sõidukite õnnetusjuhtumite korral. Et liitium on sisestatud süsinikelektroodi, on liitium ioon-kujul ja ta on vähem reaktiivne kui puhas liitium-metall. Õhuke Li-polümeer element võimaldab luua sõidukitele igasuguse kuju ja suurusega patareisid. Li-polümeer patareide peamiseks puuduseks on see, et patarei elementide talitluse temperatuurivahemik on 80 kuni 120°C. Li-polümeer patarei erienergia on kõrge. Tema tsükliline ja kalendaarne tööiga on samuti kõrge.

Tsink-õhk patarei
Tsink-õhk patareidel on hapniku gaasiline positiivne elektrood ja kuluv metallilisest tsingist negatiivne elektrood. Kasutatud tsink-õhk patareid saab uuesti laadida vaid mehaaniliselt, asendades tühjenenud materjali, tsink-hüdroksiidi uute värskete tsinkelektroodidega. Tühjenenud elektrood ja naatrium-hüdroksüüd-elektrolüüt saadetakse ümbertöötlemisele. Seega on tsink-õhk patarei analoogiline kütuse-elemendiga, kus kütuseks on tsink-metall. Tänapäeva tehnoloogia korral on tsink-õhk patareidega auto laadimiste vaheline läbisõit 300 kuni 600 km.

Naatrium-väävel patarei
Naatrium (negatiivne elektrood) ja väävel (positiivne elektrood) on odavad materjalid. Kuid siin ei saa kasutada vettsisaldavaid elektrolüüte, sest naatrium on väga reaktiivse loomuga. Sobiv elektrolüüt avastati 1966. a, see on beta-alumina – naatrium-alumiiniumoksiid, millel on keeruline kristallstruktuur. Selle patarei talitlustemperatuur on umbes 300°C, tema arendustööd on lõpetatud, tema asemele tuli naatrium-metall-kloriid patarei.

Naatrium-metall-kloriid patarei
Selle patarei positiivne elektrood on nikkel-kloriid (NiCl2) või nikkel-kloriiidi ja raudkloriidi (FeCl2) segu. Negatiivne elektrood on vedel naatrium. Elektrolüüt on nagu naatrium-väävel patareil – beeta-alumina ehk naatrium-alumiiniumoksiid. Et tekitada hea ioonkontakt positiivse elektroodi ja elektrolüüdi vahel, mõlemad on tahkised, on teine elektrolüüt, naatrium-klooraluminaat (NaAlC14), asetatud NiCl2 ja beeta-alumina vahelisse kihti. Elektrolüüt NaAlC14 on patarei eluline komponent, kuigi ta alandab patarei erienergiat umbes 10% võrra. Ka selle patarei talitlustemperatuur on kõrge, nagu NaS patarei korral.
Naatrium-metall-kloriid patarei element monteeritakse kokku laadimata olekus. Positiivne elektrood on valmistatud Ni või Fe pulbri ja NaCl (harilik sool) segust. Pärast kokkumonteerimist toimub laadimine, positiive elektroodi lahter vormitakse vastava metalliga ja negatiivse elektroodi lahter vormitakse naatriumiga. Sellel protseduuril on kaks olulist eelist: puhas naatrium valmistatakse kohapeal difusiooniga beeta-aluminasse ja patarei toormaterjalid (harilik sool ja metallipulber) on odavad. Kuigi raud on odavam kui nikkel, kasutatakse viimast metallilise komponendina enam, sest Ni korral tekib vähem komplikatsioone ja talitlustemperatuuri piirkond on laiem.
Naatrium-metall-kloriid patareisid tuntakse kui ZEBRA patareisid.


Patarei parameetrid

Patarei mahutavus
Patarei mahutavus on aktiivmaterjali poolt negatiivse elektroodi juures genereeritud ja positiivse elektroodi juures kulutatud vaba laengu hulk. Mahutavus mõõdetakse ampertundides (1 Ah = 3600 C (kulonit), 1 C on laeng, mida kannab 1 s kestel vool 1 A.
Patarei teoreetiline mahutavus kulonites QT = xnF,
x on patarei tühjenemise reaktsioonist osa võtvate moolide hulk, n on elektronide hulk, mida tekitab negatiivse elektroodi tühjenemisreaktsioon, ja F = Leo. L on molekulide või aatomite arv moolis (see on Avogadro konstant), ja eo on elektroni laeng, F on Faraday konstant. Nende konstantide väärtused on:
L = 6.022 × 1023; eo = 1.601 × 10-19 C; F = 96412.2 C/mol.
Patarei teoreetiline mahutavus ampertundides QT = 0.278 F mR n/mM,
mR on reaktsioonist osavõtva materjali mass, kg ja mM on reaktsioonist osavõtva materjali molaarmass, g/mol.

Tühjenemismäär ehk -kiirus
Tühjenemiskiirus ehk tühjenemismäär on vool, millega toimub patarei tühjenemine. Seda määra esitatakse kui suhet Q/h , kus Q on patarei nimimahutavus ja h on tühjenemise aeg tundides. Kui patarei mahutavus on QT Ah ja tühjenemise aeg on Δt, siis on tühjenemismäär QTt.
Olgu näiteks patarei mahutavus 1Q = 100 Ah (1 Q abil märgitakse harilikult patarei nimimahutavust). Siis Q /5 määr on (100 Ah) / (5 h) = 20 A ning 2Q määr on Q /0.5 = (100 Ah) / (0.5 h) = 200 A.

Laadimisaste
Laadimisaste (SC) on patarei käesolev mahutavus. See on mahutavus, mis jääb järele tühjendamisel alates tipp-laadimise tingimusest.
Hetkeline teoreetiline laadimisaste SCT(t) on ekvivalentse positiivse laengu kogus positiivsel elektroodil.

Tühjenemisaste
Tühjenemisaste (SD) on laengu mõõt, mis on võetud patareilt.

Tühjenemissügavus
Tühjenemissügavus (DD) on protsent patarei (määratud) mahutavusest milleni patarei on tühjenenud.
Kui patareilt on võetud vähemalt 80% ninimahutavusest, on toimunud sügav tühjenemine.


Tehnilised karakteristikud

Patareid saab kujutada kõige lihtsamalt sisepinge E ja jadaresistansi Rs kujul. Sisepingeks loetakse pinget patarei klemmidel, kui patareiga pole ühendatud koormust. Sisepinge ehk avaahela pinge sõltub patarei laadimisastmest, temperatuurist ja eelnevast tühjenemise/laadimise ajagraafikust (mälu efektid) ja teistest teguritest. Kui patarei tühjenemine toimub sujuvalt, siis sisepinge väheneb ja siseresistans suureneb. Avaahela pinge karakteristikud omavad küllalt pikka lineaarset osa, millel on madal kalle. Avaahela pinge on hea tühjenemisastme indikaator. Kui patarei tühjenemisaste läheneb 100%, siis avaahela pinge edasisel tühjenemisel väheneb järsult.

Patarei klemmipinge on pinge patarei klemmidel, kui patareiga on ühendatud koormus. Klemmipinge võrdub täislaadimispingega UT, kui patarei DD on 0%. Plii-happe patarei korral tähendab see, et pole enam PbSO4, mis võiks reageerimisel H2O tekitada aktiivmaterjali. UL on patarei lõikepinge, mille juures tuleb lõpetada patarei tühjenemine.
Et määrata elektriauto läbisõiduvahemaad, võib kasutada SC ja DD väärtusi. Küsimus on, kumb on täpsem. SC ja DD vaheline sõltuvus on:
SC(t) = QTSD(t) ja DD(t) = SD(t) / QT.
SC täpsus sõltub QT täpsusest, viimane on tühjenemisvoolu, temperatuuri ja teiste suuruste funktsioon. SC väärtust on raske kasutada tühjenemisvoolude määramiseks, kuna QT hindamine on raske. Teisest küljest, DD väärtuse saab määrata täpsemini, kuna ta on QT funktsioon ja SD mõõtmine on lihtne.

Praktiline mahutavus
Patarei praktiline mahutavus QP on alati palju madalam kui teoreetiline mahutavus QT, seoses tegelike piirangutega.

Ümberarvutatud mahutavus
Patarei praktiline mahutavus on määratud tema valmistamisel kasutades mugavat ja ligikaudset Ah lähenemist kulonite asemel ning konstantse tühjenemisvoolu karakteristikuid. Vaatleme nt katset, kus patarei tühjenemine toimub konstantsel voolul alates hetkest t = 0. Voolu hoitakse konstantsena, muutes koormuse resistansi Rk kuni klemmipinge langeb väärtusele UL. Katsetulemused on järgmised:
     I = 80 A: mahutavus Q80A = (80 A) tL = 80 × 1,.8 = 144 Ah;
     I = 50 A: mahutavus Q50A = (50 A) tL = 50 × 3,1 = 155 Ah;
     I = 30 A: mahutavus Q30A = (30 A) tL = 30 × 5,7 = 171 Ah.
On näha, et mahutavus sõltub tühjenemisvoolu väärtusest. Mida väiksem on tühjenemisvoolu väärtus, seda kõrgem on patarei mahutavus. Kui on toodud patarei mahutavus, siis peab olema toodud ka konstantse tühjenemisvoolu väärtus.

Patarei energia
Patarei energiat mõõdetakse mahutavuse ja tühjenemispinge kaudu. Energia arvutamiseks tuleb patarei mahutavus esitada kulonites. 1 Ah = 3600 C, aga 1 V vastab tööle 1 J, mis kulub 1 C laengu viimiseks negatiivselt positiivsele elektroodile. Kui 12 V patarei mahutavus on 100 Ah, siis tema salvestatud elektriline potentsiaalne energia on (12)(3.6 × 105)J = 4.3 MJ. Teoreetilise salvestatud energia saame kujul WT = U0 QT,
kus U0 on normaalne nullkoormuse klemmipinge, QT on teoreetiline mahutavus, C.

Erienergia
Patarei erienergia (SE) on
SE =(Tühjenemisenergia) / (Kogu patarei mass) = W /mB
Erienergia ühik on Wh/kg (vatt-tundi kilogrammi kohta). Plii-happe patarei erienergia on 35 kuni 50 Wh/kg Q/3 määra korral. Kuna WP sõltub tühjenemismäärast, siis on erienergia muutuv suurus. Kasutusel on ka energiatiheduse mõiste, mis näitab energiat patarei mahuühiku kohta ja ühikuks on Wh/liiter.

Patarei võimsus
Hetkeline patarei klemmivõimsus p(t) = U i,
kus U on patarei klemmipinge, ja i on patarei tühjenemisvool. Kasutades Kirchhoff'i pingeseadust patarei ekvivalentahelale, saame
U = ERs i. Tehes asenduse, saame p(t) = E iRs i2 .
Patarei kiire tühjenemise korral vajatakse maksimaalset võimsusväljundit, see on vajalik elektrimootori suurel koormusel. Kui toimub mootori kiirendamine, siis vajab mootor suurt voolu ning ta annab maksimaalse võimsuse veetavale seadmele. Kasutades maksimumvõimsuse edastamise teoreemi elektriahelale, saame et patarei annab maksimumvõimsuse DC koormusele, kui koormuse resistans võrdub patarei siseresistansiga.
Maksimumvõimsus Pmax = (E )2/4Rs.
Kuna E ja Rs sõltuvad laadimisolekust, siis sõltub sellest ka Pmax.
Patarei võimet tagada kiirenduse ja mäkketõusu nõuded saab hinnata nimivõimsuse spetsifikatsioonide abil, mille aluseks on patarei võime hajutada soojust. Pidev nimivõimsus on maksimumvõimsus, mida patarei annab pikkade tühjenemisintervallide kestel ilma patareid kahjustamata. See ei vasta tingimata patarei karakteristikute p = f(i ) kõvera Pmax väärtusele. Nimihetkvõimsus on maksimumvõimsus, mida patarei annab lühikese tühjenemisintervalli kestel ilma patareid kahjustamata.

Erivõimsus
Patarei erivõimsus SP = P /mB (ühik: W/kg),
P on võimsus mida annab patarei, mB on patarei mass. Plii-happe patarei erivõimsuse maksimumväärtus on 280 W/kg (mis vastab väärtusele Pmax DD = 80% juures).

Patareipaki kujundus
Patareid võib ühendada jadamisi, rööbiti või kasutada nende kombinatsioone. Jadaühendus tagab nõutava pinge, rööpühendus annab nõutava mahutavuse lähtudes minimaalsest sõiduajast enne ümberlaadimist. Patareipakk sisaldab ka elektroonikat, mis on harilikult väljaspool patareipakki. Mitmetasemelise patareipaki elektroonika-ahelad juhivad laadimist ja kindlustavad töökindluse ning kaitse liiglaadimise, liigtühjenemise, lühiste ja soojuslike häirete eest.

Nullemissiooniga sõidukite vajadusel algasid paljud uurimis- ja arendustööd Ühendriikides, Euroopas ja Jaapanis.
Tänapäeval on kasutusel kaks arenenud patareitehnoloogiat: plii-happe- ja nikkel-kaadmium-patareid, kuid need patareid pole väga sobivad elektriautodele, sest plii-happe-patarei salvestab liiga vähe energiat ning nikkel-kaadmium-patareidel on hinna ja toksilisuse probleemid. Teiste patareide tulevikku on raske ennustada, kuna nad on harilikult prototüübid, mille süsteemne kujundus ja kasutusandmed pole alati kättesaadavad.