Какая батарея лучше для автономной энергосистемы

Выдержки из новой книги: Off Grid Solar: A handbook for Photovoltaics with Lead-Acid or Lithium-Ion batteries.
Перевод: “Ваш Солнечный Дом”. При полном и частичном копировании перепечатке ссылка обязательна.

Мы видели множество автономных систем, в которых свинцово-кислотные аккумуляторы вышли из строя. Если их обслуживать, они работают несколько лет, но потом они теряют свою емкость. Я работаю с литий-ионными батареями последние несколько лет, и, несмотря на то, что системы с ними значительно более сложные и дорогие, они имеют неоспоримые и удивительные преимущества. На основе моего опыта я уверен, что через несколько лет в автономных энергосистемах будет использоваться все меньше свинцово-кислотных аккумуляторов.

Я думаю, что сейчас мы находимся на переломном моменте, когда определяется, какие аккумуляторы будут использоваться в автономных энергосистемах. Мы на этапе перехода от испытанных свинцово-кислотных к литиевым аккумуляторам, показывающим более высокую плотность заряда, улучшенную надёжность и длительный срок службы.

В последнее время некоторые компании стали производить экономически эффективные литий-ионные батареи, которые продаются по цене около $400/кВт*ч. Tesla, LG Chemical, Sonnen, Simpliphi Power, и Lithionics все имеют надежные аккумуляторы за вменяемую цену. Недавно немецкий производитель автомобилей Mercedes-Benz аннонсировал вход на рынок стационарных систем хранения электроэнергии с их  Mercedes-Benz Energy.

А как же свинцово-кислотные батареи? Они используются так долго, что стали товарной ценностью. Их качество отличается очень сильно в зависимости от того, кто их произвел, но сама технология практически одинаковая у всех производителей. Такие производители, как Trojan, Rolls/Surrette, и MK/Deka присутствуют на рынке десятилетиями. Зачем же менять двухсотлетнюю технологию? И что позволяет литиевым аккумуляторами сменить свинцово-кислотные?

Преимущество № 1 — Вес и размеры намного меньше 

Сравнение плотности энергии различных типов аккумуляторов. По оси абсцисс – гравиметрическя плотность энергии в Вт*ч/кг. По оси ординат – обхемная плотность энергии в Вт*ч/л

Несмотря на то, что высокая плотность энергии не очень важна для стационарных установок, она является критичной для электромобилей и носимых устройств. Увеличенная плотность энергии облегчает развертывание и установку и для стационарных систем хранения энергии.

График выше иллюстрирует, что литиевые батареи примерно в 3 раза легче и в 2 раза меньше по объёму по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами (flooded, AGM, and gel). Литиевые батареи сильно выделяются по сравнению с традиционными аккумуляторами, т.к. они имеют намного бОльшую плотность энергии.

Преимущество № 2 — Superior Resilience

 

Все батареи страдают от переразряда и экстремальных температур. Свинцово-кислотные батареи в общем случае более чувствительны к этим перегрузкам и повреждаются, если разряжаются слишком быстро или слишком глубоко. Они теряют срок службы если разряжаются более 50% или если ток разряда превышает 1/8 емкости.

Литиевые батареи можно без проблем разряжать на 80% током до 1/2 емкости почти без потери емкости. Таблица выше показывает типичные характеристики 3 типов батарей: свинцово-кислотных  жидким электролитом и герметизированных (AGM и гелевые) и литий-ионных. 

Кроме преимущества по глубине разряда, литиевые батареи меньше теряют емкость при аналогичном циклировании.

Преимущество № 3— большой срок службы

 
Начальная стоимость различных типов аккумуляторов, USD/кВт*ч

Начальная стоимость литиевых батарей намного больше, чем для других (традиционных) аккумуляторов – см. график выше. Так как литий-ионные аккумуляторы – это новая технология, они имеют большой потенциал по снижению стоимости. В ближайшее время ожидается снижение стоимости до 300-400 USD/кВт*ч. Но так ли справедливо сравнивать аккумуляторы только по их начальной стоимости и емкости? Конечно, нет!

Начальная стоимость аккумуляторной батареи важна при определении капитальных вложений в систему энергоснабжения. Но гораздо более важно оценить стоимость хранения энергии в течение срока службы.

Стоимость хранения энергии в различных типах аккумуляторов, USD/кВт*ч

График выше лучше для сравнения, т.к. учитывает глубину разряда и типичное число циклов заряд-разряд в течение срока службы. Видно, что дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы имеют самую низкую цену цикла, но только при условии, что они правильно эксплуатируются и обслуживаются. Напомним, что свинцово-кислотные аккумуляторы должны СРАЗУ и ПОЛНОСТЬЮ заряжаться после разряда, чтобы получить заявленные производителями цифры по сроку службы. К сожалению, в автономных системах электроснабжения, особенно с солнечными батареями и ветроустановками,  это далеко не всегда возможно.  Если не поддерживать идеальные для свинцово-кислотных аккумуляторов условия по эксплуатации, стоимость цикла хранения энергии возрастает.

Литиевые аккумуляторы требуют меньше обслуживания и более стойки к нерегулярному заряду.  Если рассматривать все вышеизложенные факторы, то литиевые аккумуляторы будут лучшими для автономной энергосистемы.

Кроме того, литиевые аккумуляторы имеют примерно в 6 раз больше циклов заряда-разряда, что снижает стоимость работ и стоимость доставки при их намного более редкой замене.  

Испытанный лидер: свинцово-кислотные аккумуляторы

В настоящее время наиболее безопасным выбором аккумулятора для системы электроснабжения будут испытанные и предсказуемые свинцово-кислотные аккумуляторы. Контроллеры заряда для солнечных батарей и инверторы, которые продаются сейчас, спроектированы для работы со свинцово-кислотными аккумуляторами.  Они испытаны в реальных установках. Также, немаловажным является их более низкая цена по сравнению с литиевыми аккумуляторами. Если правильно следить и обслуживать свинцово-кислотные аккумуляторы, они будут работать с КПД 80-90%.

2 основные разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов – с жидким электролитом и герметизированные. Первые – самые дешевые, но также и более подвержены выходу из строя из-за неправильных эксплуатации и обслуживания. Если вы хотите минимизировать обслуживание ваших аккумуляторов, то VRLA (герметизированные) аккумуляторы будут наилучшим выбором.  

Новичок: литий-ионный аккумулятор

Десятилетиями свинцово-кислотные аккумуляторы были доминирующими в автономных системах электроснабжения. С появлением на массовом рынке электромобилей, литий-ионная технология была значительно улучшена, их стоимость постоянно снижается и такие аккумуляторы стали обоснованным выбором и для автономных солнечных энергосистем, а также систем с солнечными батареями и самопотреблением.

Литиевые аккумуляторы только начинают (статья написана в 2016 г) широко применяться в крупных солнечных энергостанциях, но они давно уже применяются в портативной и переносной технике многие годы. Благодаря их высокой плотности энергии они являются лучшим выбором для носимых и передвижных электростанций и устройств.

Примечание “Ваш Солнечный Дом”

В статье упоминаются литий-ионные аккумуляторы в общем смысле. В последние годы для автономных энергосистем наилучшим выбором среди литиевых аккумуляторов являются литий-железо-фосфатные (аббревиатура LFP или LIP). Они намного надежнее, долговечнее и безопаснее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в мобильных телефонах и других электронных гаджетах. См. статьи про литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Литий ионный аккумулятор на морозе, чего боятся литиевые аккумуляторы

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 25-07-2020

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы стали наиболее распространенными на данный момент. Одной из немногих сфер, где литиевые АКБ не прижились — это транспорт с двигателем внутреннего сгорания, где батарея используется лишь для зажигания и питания основных узлов.

С популяризацией электротранспорта потребность в литиевых аккумуляторных батареях выросла еще сильнее. Под электротранспортом понимаются не только электрокары, но и электровелосипеды, электросамокаты и прочая техника, приводимая в движение при помощи электродвигателя.

Из-за того, что li-ion АКБ используются практически везде, пользователи часто интересуются, чего боятся литий-ионные аккумуляторы.

Это полезно знать, особенно если эксплуатируется дорогостоящая сборка из большого количества элементов, которую не хочется менять почти каждый год.

Чего боятся Li-ion аккумуляторы

Каждый тип аккумулятора имеет определенные требования по эксплуатации, которым следует соответствовать для достижения максимально длительного срока службы, близкого к заявленному. Обычно эти требования одинаковы, отличаясь лишь конкретными цифрами. Среди них можно выделить следующие:

• Ток заряда и разряда. Каждая АКБ имеет максимально допустимый ток заряда и разряда. Для многих литий-ионных аккумуляторов это не очень актуально из-за наличия BMS контроллера, управляющего всеми процессами и защищающего от неправильной эксплуатации;
• Уровень заряда. Любой аккумулятор можно испортить, разрядив его “в ноль” и оставив в таком состоянии на хранение. АКБ всегда должна быть заряжена. Оптимальный для хранения уровень заряда обычно составляет порядка 60%. На 100% разрядить литиевую АКБ также не получится из-за контроллера BMS, но от саморазряда при хранении ничего не защитит;
• Температурный режим. Как хранение, так и эксплуатация должны происходить при подходящей для конкретного типа АКБ температуре. В большинстве случаев АКБ эксплуатируется в помещении, либо есть возможность его туда переместить, поэтому литиевые аккумуляторы на морозе эксплуатируются нечасто. Так было раньше до популяризации электротранспорта. Сейчас работа литий-ионных и полимерных АКБ в мороз волнует пользователей куда больше.

Что происходит с Li-ion аккумулятором на морозе

Несмотря на то, что проблема эксплуатации li-ion батарей при отрицательных температурах стала острой относительно недавно, в некоторых сферах она была актуальна уже много лет назад.

Многие, наверное, помнят ситуации, когда смартфон (обычно это касалось уже устаревших поколений iPhone) отключался после длительного нахождения на открытом воздухе в минусовую температуру. Это связано с тем, что литий-ионный аккумулятор на морозе сильно теряет в токоотдаче и уровне заряда.

А теперь представьте, что речь идет не о смартфоне, а, скажем, об электровелосипеде. Да, многие разумно предпочитают подождать до весны, однако любителей зимних велопрогулок быстрая потеря заряда может застать врасплох. С электрокарами ситуация аналогичная. Суть проблемы заключается в том, что многие химические реакции замедляются при низких температурах, а литий-ионный аккумулятор — это как раз химический источник питания. Соответственно, в мороз аккумулятор рискует глубоко разрядиться даже находясь в состоянии простоя. Это стоит учитывать и вовремя заряжать АКБ. Обращаем внимание, что заряжать аккумулятор сразу после мороза не рекомендуется. Он должен естественным образом согреться перед началом процесса.

Если не усмотреть за литий-ионным аккумулятором и допустить саморазряд до критически низких напряжений (ниже 2,5В на элемент), то спустя некоторое время хранения аккумулятор может выйти из строя без возможности восстановления. В рамках, скажем, одного элемента типоразмера 18650 это не кажется проблемой, однако если речь идет о десятках или даже тысячах (в автомобилях Tesla установлено более 7 тысяч ячеек 18650 от Panasonic), потери будут значительными. Поэтому внимательно следите за состоянием аккумулятора и поддерживайте стабильно средне-высокий уровень заряда для его хранения.

Как решить проблему эксплуатации литиевого аккумулятора на морозе

Если избежать эксплуатации литиевой аккумуляторной батареи на морозе не получится, есть пара способов немного облегчить ситуацию.

Очевидным решением является утепление аккумулятора. В роли утеплителя может быть любой теплоизоляционный материал вплоть до пенопласта. Главное, чтобы пространство позволяло. Благодаря изоляции тепло, вырабатываемое аккумуляторами в процессе эксплуатации, будет поддерживать приемлемую температуру. Во время простоя это тепло поможет некоторое время согревать батарею. Таким образом, как минимум процесс эксплуатации и непродолжительный простой будут происходить в более-менее приемлемых условиях.

Второй вариант решения проблемы более радикальный. Он заключается в том, чтобы подобрать другой тип литиевых аккумуляторов, который лучше переносит эксплуатацию при низкой температуре окружающей среды. К таким типам относятся литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Они прекрасно работают даже при температурах -20°C, однако отличаются не самым стандартным напряжением одного элемента. Еще одним крайне перспективным типом литиевых АКБ для электротранспорта являются литий-титанатные аккумуляторы. Они предлагают не только уверенную работу в мороз, но и длительный срок службы (срок службы некоторых моделей может превышать период эксплуатации самого электротранспорта), а также возможность быстрой зарядки. Для литий-титанатной батареи зарядка за 5-10 минут — стандартное явление.

Литий-ионный аккумулятор на морозе 5 из 5 на основе 1 оценок.

Технология и компоненты в аккумуляторных батареях для электромобилей

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных типах автомобилей, но они играют ключевую роль в случае электромобилей. Технологии, отвечающие за их работу, постоянно развиваются, и различные типы аккумуляторов отличаются друг от друга по применению и техническим характеристикам. Узнайте о типах батарей, используемых в электромобилях.

Технологии в аккумуляторах электромобилей – основные типы аккумуляторов

Аккумуляторы электромобилей (EV) отличаются используемыми в них химическим элементам. В основном мы различаем литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. Выбрать оптимальную аккумуляторную батарею для электромобиля сложно, потому что индивидуальные решения хорошо работают в разных ситуациях.

Ниже вы найдете краткое описание различных типов аккумуляторов, используемых в автомобильной промышленности, а также их применение.

Литий-ионная батарея – большая популярность и высокая производительность.

Несомненно, именно литий-ионные батареи в последние годы внесли наибольший вклад в передовое развитие электроэнергетического сектора. Они характеризуются эффективностью, низкой ценой и высоким уровнем производительности по отношению к весу элементов. Это лучшие батареи, если учитывать три параметра: оптимизация размера и веса батареи, соотношение массы к количеству накопленной энергии и выгодная цена. Литий-ионные батареи также можно найти во многих бытовых устройствах, таких как телефоны, компьютеры или пылесосы.

Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея – для специализированного использования.

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных транспортных средствах, но они играют ключевую роль в случае электромобилей.

Это специальные аккумуляторные элементы, которые достаточно редки по своим химическим и физическим параметрам. Водород является сырьем, требующим особого контроля. Батарея теряет энергию, когда она не используется, но этот недостаток компенсируется длительным сроком службы элементов. Никель-металл-гидридные батареи используются в специализированных устройствах, таких как медицинское оборудование. Решения такого рода характеризуются высокой себестоимостью производства.

Свинцово-кислотные аккумуляторы – низкий срок службы и впечатляющая мощность.

Аккумуляторы этой категории характеризуются отличными параметрами мощности. В электромобиле, однако, приходится делать ставку на решение, которое характеризуется высокой эффективностью даже при низких температурах, где такие батареи работают плохо. Несмотря на то, что стандартные аккумуляторные батареи автомобиля также фиксируют снижение таких условий, свинцово-кислотные элементы демонстрируют худшие показатели в этом аспекте. К их преимуществам относятся низкая себестоимость и надежность.

Суперконденсаторы – поддержка производительности аккумуляторов.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы в первую очередь используются для обеспечения необходимого электропитания при временном отключении электричества. По этой причине они также полезны в электромобилях, где их роль заключается в обеспечении достаточной мощности, когда требуется больше энергии.

Многие электромобили используют аккумуляторные батареи – несколько элементов одновременно. Сочетая возможности суперконденсаторов с литий-ионными и никель-металлогидридными аккумуляторами, можно добиться лучших результатов, чем при использовании одиночных элементов. В настоящее время в автомобильном секторе доминируют литий-ионные аккумуляторы, чаще всего используемые в электромобилях.

Литиево-ионные или никель-металл-гидридные аккумуляторы – как выбрать лучшую батарею для электромобиля?

Из-за описанных выше параметров литий-ионная батарея используется чаще всего. Более того, технология, связанная с этими элементами, все еще развивается. Ведущие поставщики работают над тем, чтобы разрушить дальнейшие барьеры на пути к ассортименту транспортных средств, которые используют данный тип батареи в качестве источника энергии.

Никель-металл-гидридные батареи используются в гибридных транспортных средствах. Сектор EV редко использует свинцово-кислотные батареи, хотя они иногда дополняют литий-ионные батареи. На современном этапе развития эта технология еще не готова к использованию в более широком масштабе.

Суперконденсаторы находят свое место и в электромобилях, позволяя увеличить мощность автомобиля при высокой нагрузке. Благодаря этому во время разгона может поддерживаться стандартный аккумулятор. Суперконденсаторы также очень важны для рекуперативного торможения, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электричество.

См. также: Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей — когда следует заменять аккумуляторные батареи электромобилей?

Какой тип батареи используется в электромобилях?

Использование конкретного элемента зависит не только от его производительности, но и от типа транспортного средства. В случае полностью электрических транспортных средств и plug-in гибридов, которые могут быть заряжены от розетки, мы, как правило, имеем дело с литий-ионными батареями. Традиционные гибриды используют в основном никель-гидридные батареи. Больший вклад двигателя внутреннего сгорания в работу транспортного средства позволяет обеспечить более высокий уровень потерь энергии, когда он не используется. Следует также помнить, что в случае гибридных автомобилей элементы долгое время не работают при максимальной нагрузке.

Электромобили намного эффективнее, чем автомобили внутреннего сгорания. Стоимость электроэнергии в большинстве случаев значительно ниже, чем цена топлива, необходимого для проезда по аналогичному маршруту. Наиболее эффективные решения на рынке в настоящее время позволяют преодолевать расстояние около 500 км на одной зарядке.

Партнерство с компанией «KNAUF AUTOMOTIVE» – получение всесторонней поддержки опытного партнера.

Для того чтобы обеспечить оптимальные решения в области электрических батарей, вы не можете работать в одиночку. В течение многих лет компания Knauf Industries работает над внедрением инноваций в автомобильной промышленности. Благодаря командам инженеров, работающих в лаборатории ID Lab, нам удалось превратить полученные за эти годы знания в потенциал на будущее. Мы разрабатываем новые решения по изоляции автомобильных аккумуляторов, компонентов аккумуляторов, электрических кабелей, фитингов для холодильных труб и сепараторов аккумуляторных элементов.

Мы хотим предоставлять нашим партнерам аккумуляторные батареи с гораздо более высокими эксплуатационными характеристиками и оптимизированным сроком службы. Чтобы предотвратить выход аккумулятора из строя при слишком низких или слишком высоких температурах, важно помнить об изоляции, которая при этом не будет существенно влиять на вес автомобиля. Наш взгляд на будущее сочетает в себе электромобильность с экологией — мы предлагаем такие материалы, как пенополипропилен и пенополистирол, которые на 100% пригодны для вторичной переработки. Мы приглашаем к сотрудничеству предприятия автомобильной отрасли, которые хотят всесторонне поддерживать свое производство.

Хотите получить более специализированные знания?

Какие виды батарей существуют и какой аккумулятор лучше выбрать для машины

Вероятно, у любого автомобилиста наступает такое время, когда дальше возиться со старым аккумулятором становиться чересчур хлопотно. Ну, а если еще и зима на дворе и стоят сильные холода, то тогда начинаются стабильные проблемы с запуском мотора.

Бесконечные домашние подзарядки батареи и как следствие осыпание, и замыкание пластин. Вывод прямо напрашивается: необходимо выбрать новый аккумулятор.

Итак, какой же аккумулятор выбрать для автомобиля

К сожалению, автолюбители при покупке новой батареи считают, что чем дороже, тем типа лучше.

Проблема ещё вся в том, что имеются различные автомашины и различные виды аккумуляторов, и естественно любой из них рассчитан на свои эксплуатационные условия. И если это не принять во внимание, то очень скоро автовладелец который приобрел пусть даже самый дорогостоящий аккумулятор, будет вновь для своего любимого автомобиля покупать новый источник питания.

Какие бывают типы батарей

Аккумуляторы на сегодняшний день разделяются на два типа:

• необслуживаемые;
• малообслуживаемые аккумуляторы.

Первые аккумуляторные батареи, как видно из названия в уходе не нуждаются, в них даже иногда не наблюдаются пробки, вторые требуют редкой, но нужной проверки уровня плотности и электролита. Все это зависит от того, из какого материала исполнены батарейные электроды. Как правило, они производятся из свинца с незначительной примесью сурьмы.

Необслуживаемая аккумуляторная батарея относиться к категории — гибридных аккумуляторов.

Гибридный аккумулятор

Превосходный выбор для тех, кто не любит смотреть за зарядом батарей и редко использует автомобиль. На сегодняшний день, данные батареи для машин производят, как российские, так и иностранные компании.

Виды необслуживаемых батарей

Необслуживаемая аккумуляторная батарея делиться на два вида:

• кальциевые;
• гибридные.

Кальциевые батареи – самые дорогостоящие, электроды производят из кальциевого и свинцового сплава с прибавлением алюминия, олова, временами из серебра.

Гибридная батарея примитивнее — только в негативных электродах содержится калий, а позитивные пластины производятся из свинца с маленькой частью сурьмы.

Использование кальция значительно уменьшило испарение электролита и увеличило срок действия батарей — кальциевой до семи лет, гибридной до пяти лет. Саморазрядка по сопоставлению с мало-обслуживаемыми аккумуляторами в 1,5 раза замедлилась.

Есть также и проблемы: кальциевая долговечная батарея очень плохо выдерживает полный разряд. И если его пару раз целиком разрядить, на позитивных пластинах начнет образовываться сульфат кальция, в итоге автомобильный аккумулятор потеряет вместимость.

Поэтому кальций в гибридных аккумуляторах используют только в негативных электродах (они не бояться разряда). Гибридные аккумуляторы — различаются продолжительным сроком службы, высокой вместимостью, наибольшим пусковым током и совершенно не боится разрядки.

Так какой же аккумулятор тогда лучше выбрать?

Однозначно никто на вопрос «какой же все-таки аккумулятор лучший» не ответит, любая батарея имеет положительные и отрицательные стороны.

Какой аккумулятор выбрать для машины

• Если вы постоянно пользуетесь машиной, то превосходным вариантом будут необслуживаемые кальциевые батареи — наибольший ресурс и с уровнем электролита проблем не имеет.
• Ну, а если же вы редко ездите на автомашине, то кальциевый аккумулятор свои силы потеряет очень быстро. В этом случае лучше купить гибридный аккумулятор — не требует особого внимания, переносит полную разрядку, не боится продолжительного бездействия.
• Отличным вариантом, если необходим живучий автомобильный аккумулятор будут малообслуживаемые батареи, это именно тот редкий случай, когда финансы не все решают.

Видео: рассказывает о том, как выбрать аккумулятор с учётом его параметров и особенностей моделей разных производителей:

Теперь вы без особых проблем сможете подобрать своему автомобилю подходящую батарею, особенно после просмотра видео. Удачной покупки!

Загрузка…

Аккумуляторы 3.7 вольт | Какой лучше выбрать?

Литий-ионные аккумуляторы 3. 7 вольт – это высокоэффективные элементы питания, широко используемые по-отдельности и в составе аккумуляторных батарей. При последовательном соединении ячеек (S) суммируется их напряжение, а при параллельном (Р) – емкость. В зависимости от необходимых характеристик аккумуляторной батареи, из ячеек с напряжением 3,7 V собирается АКБ по подходящей схеме.

Размеры и форма

У аккумуляторов Li-ion 3,7 V размеры бывают разные. Самый распространенный типоразмер – 18650 – имеют цилиндрические аккумуляторы диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Но в продаже встречаются и аккумуляторы других форм-факторов с напряжением 3,7 В, например, 21700, 26650, 26980, 32650. Кроме цилиндрических ячеек, такое напряжение имеют и литий-ионные аккумуляторы призматической формы и пакетированные модели, например, 2217391, 858222, 75115330.

Характеристики аккумуляторов 3,7 вольт

Такие элементы питания производят не только разных размеров и форм, но и различного химического состава. Наиболее распространены изделия с содержанием кобальта, марганца, никеля. Внутри литиевых элементов питания находятся электроды, электролит и пористый сепаратор. Анод производится из графита, катод – из различных литиевых соединений: LiCoO2, LiMn2O4, LiNiCoMnO2. Электролит зачастую представляет собой смесь LiPF6 и карбоната.

Li-ion аккумуляторы с номинальным напряжением 3,7 вольт имеют:

• допустимое рабочее напряжение 2,8–4,2 В;
• удельную энергоемкость;
• легкий вес;
• высокую токоотдачу;
• малый саморазряд – <10% в месяц;
• рабочий температурный диапазон от -20 до +60 °С;
• оптимальные рабочие температуры от +15 до +25 °С;
• небольшое уменьшение исходной емкости в процессе хранения и эксплуатации – ежегодно до 10%;
• циклический ресурс до момента снижения емкости на 20% – до 1000 полных циклов перезарядки;
• время зарядки около 8 часов.

Точные характеристики литиевых аккумуляторов зависят от их размеров, химического состава, бренда производителя и других факторов. Например, ячейки типоразмера 18650 могут иметь емкость от 1800 до 3600 мАч. Посмотреть рабочие параметры можно в технических паспортах на продукцию. Характеристики литиевых батарей из 18650 3,7 V или других ячеек зависят от рабочих параметров элементов и схемы их сборки.

Слабыми качествами Li-ion элементов питания считаются:

• чувствительность к перезаряду и глубокому разряду;
• временное снижение токоотдачи и емкости при минусовых температурах;
• подверженность деградации при эксплуатации на больших токах и при нарушении рекомендованного температурного режима.

С защитой и без

Li-ion элементы с номинальным напряжением 3,7 В, как и остальные литиевые аккумуляторы, бывают защищенными и незащищенными. Защита представляет собой миниатюрную электронную схему, которая встраивается в ячейку в области плюсового контакта и оберегает ее от всевозможных рисков: перезаряда более 4,2 В, критического разряда менее 2,75 В, перегрева и короткого замыкания.

Встроенная плата защиты уменьшает риск возгорания и повреждения электронных приборов при установке в них таких элементов питания. У некоторых аккумуляторов кроме платы защиты дополнительно предусмотрен клапан для стравливания избыточного давления. Он задействуется при вздутии элемента питания и возникновении риска самовоспламенения.

Перед тем, как выбрать аккумулятор 3,7 V с защитой или без нее, нужно учесть особенности его предстоящего использования. Незащищенные модели традиционно используются для сборки в батарею и для установки в приборы с собственным контроллером безопасности. При использовании таких ячеек важно:

•  не разряжать их «в ноль»;
• избегать перезаряда – использовать ЗУ с контроллером заряда;
• держать контакты закрытыми, во избежание их случайного замыкания.

В приборах без встроенного контроллера заряда и разряда – простых фонарях, детских игрушках, электронных сигаретах и пр. – в целях безопасности рекомендуется использовать защищенные аккумуляторы.

Выбор аккумулятора

Лучшими производителями литиевых аккумуляторов считаются LG, Sony, Samsung, Sanyo, Panasonic. При выборе элементов питания для использования с повышающим преобразователем напряжения нужно учесть минимальное входное напряжение для этого преобразователя. Если оно составляет 3 В, подойдет любой тип аккумулятора. А если меньше, необходим аккум со встроенной защитой. Незащищенные элементы в таких условиях быстро выйдут из строя из-за глубокого разряда.

В электронных сигаретах, мехмодах и подобных устройствах рекомендуется использовать высокотоковые Li-ion аккумуляторы форм-фактора 18650 с кратковременной токоотдачей до 40–60 А. Ячейки, рассчитанные на стандартные нагрузки до 4–5 А (2С–3С) в таких условиях эксплуатации быстро исчерпывают свой ресурс.

В вопросе емкости, с одной стороны, чем больше – тем лучше. Но емкость зависит от размеров аккумулятора. Например, у элементов типоразмера 18650 бывает емкость от 1800 до 3600 мАч. Иногда на «банках» 18650 указывают фантастические значения емкости: 5400, 9000 мАч и т.п. Эти значения в маркировке характерны для дешевых подделок и не соответствуют действительности – по факту емкость таких элементов не может превышать 3600 мАч.

Как проверить качество

Проверить рабочие характеристики можно при помощи мультиметра. Альтернативный вариант – просто взвесить «банку». Аккумы емкостью выше 2000 мАч не могут весить менее 40 грамм. С увеличением реальной емкости растет и вес изделий.

С другой стороны, солидный вес не всегда свидетельствует о высокой емкости аккумулятора. Недобросовестные производители иногда добавляют в конструкцию что-нибудь для утяжеления, например, песок. Чтобы избежать покупки фальсификата, рекомендуется приобретать аккумуляторы у проверенных поставщиков, не гнаться за низкой ценой и не верить большим значениям емкости на корпусе. Аккумуляторы и другие товары высокого качества легко купить в интернет-магазине VirtusTec.ru.

Как заряжать аккумуляторы 3,7 V

Правильная зарядка аккумуляторов 3,7 вольта – это управляемый и контролируемый процесс. Он состоит из нескольких стадий:

1. Подготовительный этап – медленный прирост напряжения при неизменном токе небольшого номинала. При увеличении напряжения до заданного значения начинается следующий этап.
2. Быстрая подзарядка – стремительный рост напряжения при постоянной величине тока. Она может составлять от 0,2 до 1С, где С – номинальная емкость в Ач. Когда напряжение достигает 4–4,1 В, стартует следующая стадия.
3. Завершающий этап – плавное уменьшение тока при постоянном напряжении.

По этому принципу работают все правильные зарядные устройства для аккумуляторов 3,7 вольт типа Li-ion. Заряжать сборку из нескольких последовательно соединенных ячеек нужно устройствами, имеющими систему балансировки заряда каждого аккума. Такая система отслеживает параметры каждой «банки» и останавливает процесс зарядки АКБ при полном заряде одного элемента. Это оберегает АКБ от чрезмерного заряда и продлевает срок ее службы.

О причинах поломок литиевых батарей читайте здесь.

Какой аккумулятор лучше, хороший аккумулятор выбор

Основные виды автомобильных аккумуляторов и особенности их обслуживания, критерии выбора аккумулятора и рекомендации производиелей авто, производители качественных и надежных батарей.

Аккумуляторная батарея представляет собой неотъемлемую часть любого автомобиля. Именно от этого элемента зависит надежность пуска мотора, работа системы зажигания и всего электрооборудования. В процессе использования автомобиля, необходимость замены аккумулятора является просто неизбежной. Это обусловлено тем, что срок службы такой батареи намного короче срока службы самого автомобиля. На сегодняшний день на авторынке представлен довольно широкий ассортимент разных аккумуляторных батарей, отличающихся, в основном, стоимостью и качеством.

Прежде чем перейти непосредственно к выбору батареи, нужно разобраться с тем, какой аккумуляторов лучше, и какие виды существуют на сегодняшний день. В современных автомобилях наиболее распространенными являются свинцово-кислотные аккумуляторы, работа которых основывается на реакции свинца и диоксида свинца в кислоте. Батареи такого типа могут быть обслуживаемыми и необслуживаемыми, которые не требуют никаких манипуляций помимо установки. Наиболее современными считаются аккумуляторы, работающие на гелеобразном электролите, однако на данный момент они используются сравнительно редко.

Существуют определенные критерии, которыми следует руководствоваться при выборе хорошого автомобильного аккумулятора.

1. Электроемкость – одна из основных и наиболее важных характеристик данного устройства, которая измеряется в Ач (Ампер/часах). При выборе аккумулятора следует, в первую очередь, руководствоваться инструкциями производителя, которые указанны в сопроводительной документации к автомобилю.

2. Наличие в автомобиле дополнительных потребителей энергии. Если в машине установлены устройства, которые потребляют большое количество энергии, лучше приобретать аккумулятор на 5-10 Ач больше рекомендуемого производителем.

3. Частота пуска машины в единицу времени. Частые запуски двигателя в относительно короткий промежуток времени опасны тем, что батарея, постепенно отдавая энергию, не успевает подзарядиться, что способствует ее быстрому выходу из строя. Поэтому при таком варианте эксплуатации машины целесообразно будет приобретение относительно недорогого устройства.

4. Полярность – важный момент при выборе аккумуляторной батареи. Нынешние аккумуляторы могут иметь как прямую, так и обратную полярность, на что стоит обратить особое внимание при покупке.

5. Конструкция аккумулятора. Сюда относится, к примеру, наличие пакетированных пластин, которые значительно продлевают сроки эксплуатации устройства.

6. Габариты батареи, как правило, указываются в документации производителя авто. Покупать аккумулятор, емкость которого сильно отличается от таких рекомендаций, не стоит, так как система зарядки батареи обладает предварительно заданными четкими параметрами.

7. Влияние погодных условий на машину. Наиболее важным климатическим фактором, естественно, является температура воздуха. Если машину планируется интенсивно использовать в зимнее время, желательно приобретать батарею, емкость которой на 5-10 АЧ выше рекомендуемой.

8. Влияние качества дорожных условий на автомобиль. Следует принимать во внимание, что при интенсивной эксплуатации в условиях неровных дорог аккумулятор будет подвергаться повышенным вибрационным нагрузкам, что значительно сокращает сроки его службы.

9. Качество аккумуляторной батареи – один из важнейших факторов, который стоит учитывать. В последнее время на отечественном автомобильном рынке подделки стали не редким явлением. Как правило, на качественном аккумуляторе обязательно должна быть указанна страна-производитель и изготовивший его завод, дата изготовления. Кроме того, к качественной батарее должен прилагаться специальный технический паспорт. Важен также внешний вид батареи — качественный корпус, хорошие пробки, гладкие выводные клеммы и др.

Как правило, стоимость аккумуляторной батареи практически всегда прямо зависит от его электрической емкости. Что касается производителей, то наиболее предпочтительна продукция от известных компаний, среди которых продукцию неизменного качества предлагают такие, как Varta, SZNAJDER, Medalist, Bosch, COBAT, MUTLU, TITAN и MULTI. В экономии особого смысла нет, так как качественная аккумуляторная батарея прослужит долго и не доставит своему владельцу никаких неприятных неожиданностей.

Как правильно выбрать аккумулятор видео:

 

4 причины неисправности автомобильного аккумулятора

Экстремальные температуры, нерегулярное использование, короткие поездки и возраст автомобиля – главные причины, влияющие на пусковую мощность аккумуляторной батареи. Какие меры стоит предпринять, чтобы предотвратить выход АКБ из строя?

• Факторы, влияющие на пусковую мощность АКБ;
• Как продлить срок службы автомобильного аккумулятора;
• Советы по выбору правильной АКБ для авто.

Вы знаете, в каком состоянии аккумуляторная батарея вашего автомобиля? Большинство водителей вспоминают об аккумуляторе только, когда двигатель отказывается заводиться, а случается это чаще всего в холодное зимнее время. Однако летняя жара – не менее опасный фактор для АКБ.

 

1. Экстремальные температуры.

Летняя жара с экстремально высокими температурами может привести к потере заряда аккумулятора. К сожалению, проблему часто невозможно обнаружить, пока не станет слишком поздно.

Как предотвратить проблему?

• По возможности избегайте парковки автомобиля на солнце;
• Регулярно проверяйте степень зарядки АКБ и в случае необходимости подзаряжайте. Рабочее напряжение в аккумуляторе составляет 13,8–14,5 В; минимальный показатель должен быть не ниже 12,5 В, а в идеале – 12,7В;
• Периодически осматривайте состояние клемм – они должны быть не окисленными;
• Держите под контролем состояние генератора;
• При поездках на большие расстояния не допускайте перезарядки батареи. Для этого, например, можно ехать с включёнными фарами, во время стоянки включать максимальное количество приборов, которые потребляют электроэнергию.

Если батарея все-таки нуждается в замене, установку новой лучше доверить профессионалам. Ведь аккумулятор тесно связан с другими электронными компонентами в автомобиле. Если электрическая цепь между АКБ и компьютерной системой автомобиля нарушена, данные в блоках управления и информационно-развлекательных системах могут быть потеряны. Электронные компоненты, такие как радиоприемники и окна, возможно, потребуется перепрограммировать.

 

2. Нерегулярное использование.

Многие водители думают, что при выключенном двигателе энергия аккумулятора не расходуется. Это неверно. Некоторым системам, таким как сигнализация и замки, функции бесключевого доступа и навигации, требуется электричество, даже когда автомобиль припаркован. Именно поэтому после простоя в гараже в течение нескольких недель автомобиль может не завестись. Чаще подобная неприятность случается в холодную погоду или если батарея старая.

Как предотвратить проблему?

• Если автомобилем долго не пользовались, аккумулятор нужно проверить и зарядить при необходимости с помощью специального зарядного устройства (лучше всего — в условиях СТО и под контролем специалистов. За помощью стоит обращаться в заслуживающие доверия сервисы — например, Бош Авто Сервис).
• Вождение автомобиля один раз в неделю в течение как минимум сорока минут может помочь предотвратить проблемы с запуском.

 

3. Частые короткие поездки.

При вождении в условиях «дом-работа-магазин», когда автовладелец проезжает только короткие расстояния, аккумулятор не может полностью перезарядиться. Даже качественный и емкий аккумулятор в таких условиях может преждевременно выйти из строя.

Как предотвратить проблему?

• Хотя бы раз в месяц отправляйтесь в дальние поездки на автомобиле, чтобы подзарядить аккумулятор через генератор.

 

4. Возраст автомобиля.

С увеличением возраста автомобиля мощность аккумулятора может снижаться из-за коррозии и сульфатации, которые могут препятствовать правильной зарядке.

Как предотвратить проблему?

• Регулярно проверяйте аккумулятор, чтобы гарантировать надлежащий уровень заряда и работоспособность АКБ.

 

Как правильно подобрать новый аккумулятор?

Важно подбирать ту модель, которая в состоянии покрыть все потребности автомобиля в энергии. Не стоит покупать дорогую модель АКБ, если у вас относительно простой автомобиль. Потенциал батареи не будет использоваться полностью, а вы переплатите там, где можно было бы сэкономить. Производители учитывают этот фактор. Например, более бюджетная линейка аккумуляторов S4 от Bosch подойдет для авто с небольшим количеством потребителей. В ней заложены ряд технологических преимуществ, обеспечивающих эффективную работу АКБ. Решетка Power Frame обеспечивает лучшую проводимость, оптимальное прохождение тока и уменьшение вероятности коррозии. Это гарантирует высокий пусковой ток и быстрый заряд аккумулятора. Поэтому на автомобилях с небольшим уровнем энергопотребления батареи серии Bosch S4 будут обеспечивать надежное и продолжительное энергоснабжение.

Для авто премиального класса с высоким уровнем энергопотребления оптимальный выбор – АКБ линейки S4E c улучшенной технологией EFB (Enhanced Flooded Battery). Они специально разработаны для легковых автомобилей с системой «старт-стоп». Благодаря повышенной устойчивости к циклическим нагрузкам они обеспечивают уверенный пуск двигателя даже в том случае, если во время остановки аккумулятор питает большое число потребителей электроэнергии.

---

Какой тип гибридной батареи лучше?

Популярность гибридных и электромобилей с годами росла, и в будущем они неизбежно станут более распространенными, поэтому важно понимать их как можно больше. Если вы проводили какое-либо исследование гибридных или электромобилей, таких как Toyota Prius или Tesla, то, возможно, вы знакомы с терминами «никель-металлгидрид» и «литий-ионный». Эти термины относятся к тому, из чего сделаны батареи гибридных и электромобилей.Но какой тип батареи лучше?

Honda Insight первого поколения на выставке. | (Фото Криса Бэкона — PA Images / PA Images через Getty Images)

СВЯЗАННЫЙ: Как долго прослужит гибридный автомобильный аккумулятор?

Никель-металлогидридные батареи обычно встречаются в некоторых старых гибридных и электрических автомобилях, таких как первая пара поколений Toyota Prius и Honda Insight. Хотя этот тип батареи старый, он не совсем архаичный, поскольку некоторые новые автомобили на текущем рынке все еще используют их.Фактически, вы все еще можете найти Ni-MH батареи в полноприводных версиях нынешней Toyota Prius.

Хотя это может быть немного удивительно — поскольку литий-ионные батареи сейчас гораздо более распространены, — на самом деле для этого есть веская причина. Согласно Torque News, никель-металлгидридные батареи могут выдерживать более суровые погодные условия, от морозной зимы до палящего жаркого лета. Вот почему вы найдете их в полноприводном Prius, гибридном автомобиле, который отлично подходит для снежных и пустынных штатов.

Заглянув под капот, можно увидеть гибридный бензиново-электрический двигатель, который приводит в движение Honda Civic Hybrid 2003 года выпуска. | (Фото Тима Бойла / Getty Images)

Еще одно преимущество никель-металлгидридных материалов состоит в том, что их легче перерабатывать. Auto Evolution заявляет, что большое количество никеля в этих батареях делает переработку более прибыльной. С другой стороны, никель-металлогидридные батареи имеют низкую плотность энергии; примерно на 40% ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Чтобы обойти недостаток энергии, многие Ni-MH батареи имеют большие размеры, что помогает с мощностью, но не с весом.

Зарядка тоже проблема. Ni-MH аккумуляторы заряжаются медленнее, чем литий-ионные, а также они медленнее разряжаются. Они также имеют тенденцию к нагреву из-за циклов зарядки, поэтому также необходима отдельная система охлаждения.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы

На этой фотографии показана сокращенная модель аккумуляторного модуля гибридного автомобиля Toyota Motors третьего поколения Prius. | AFP PHOTO / TOSHIFUMI KITAMURA (Фотография должна читаться как TOSHIFUMI KITAMURA / AFP через Getty Images)

Сегодня вы обычно найдете литий-ионные батареи во многих новых гибридных и электрических автомобилях.Если этот термин звучит знакомо, вы, вероятно, знаете, что во многих портативных электронных устройствах также используются литий-ионные батареи, но используются они другого типа. Согласно Auto Evolution, литий-ионные аккумуляторы, которые вы найдете в автомобилях, сделаны из литий-никель-марганцево-кобальтового оксида (NMC).

Основным преимуществом использования литий-ионных аккумуляторов является то, что они имеют лучшее соотношение энергии к весу, что означает, что они могут удерживать больше энергии и весить меньше, чем их никель-металлогидридные аналоги. Литий-ионные аккумуляторы также заряжаются быстрее и не имеют проблем с памятью.Это означает, что литий-ионные аккумуляторы не будут снижать максимальную зарядную емкость с каждым циклом.

Самый большой недостаток использования литий-ионного аккумулятора — это стоимость. Литий-ионные аккумуляторы примерно на 40% дороже в производстве, чем никель-металлогидридные аккумуляторы, поэтому автомобили, оснащенные ими, как правило, стоят дороже. И хотя литий-ионные батареи разряжаются медленнее, чем другие, они также имеют более короткий срок хранения (около 10 лет), если они не хранятся должным образом.

Какой аккумулятор лучше использовать?

Учитывая, что у литий-ионных аккумуляторов меньше недостатков и они хранят больше энергии при меньшем весе, в долгосрочной перспективе их лучше использовать в гибридных автомобилях.Однако, как мы видим, место для проверенной Ni-MH батареи все же есть. Но поскольку гибридные и электрические автомобили становятся все более популярными, возможно, скоро их заменит литий-ионный тип, если не что-то еще.

Как мы доберемся до следующего большого прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени. Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации.Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение. По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя.Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем. И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево. Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два века тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств.Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи действительно снова изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод. Большинство анодов литий-ионных аккумуляторов изготовлены из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться аккумулятор. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но важно различать их, когда речь идет об аккумуляторах. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удержать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия аккумуляторов, которая у нас есть, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав еще по крайней мере еще десять или более лет. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами.Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или кусочки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, в буханке NMC между каждым ломтиком находятся ионы лития. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит. Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. Когда батарея полностью заряжена, в катодной буханке не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба.По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда аккумулятор нужно зарядить снова.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса. Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы.Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным. Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), который имеет структуру «оливина» в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут. Leclanché также внедряет свои аккумуляторы в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль стыкуется, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля.Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации. Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — инерцию.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Двухместный электрический самолет, сделанный словенской фирмой Pipistrel, стоит у ангара в аэропорту Осло, Норвегия.

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов.Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составила около 175 долларов за кВтч, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что когда стоимость аккумуляторов упадет ниже 125 долларов за кВтч. владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем бензиновый в большинстве стран мира.Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут отдавать предпочтение электромобилям просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть больше кВтч в батарейный блок, не снижая его цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать только относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем он перестанет работать. Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя серия инноваций за последние несколько десятилетий подтолкнула энергетическую плотность катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом. Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слаб, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои конструкции анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется.Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто сделать корпус больше, чтобы приспособиться к этому вздутию, потому что расширение разрушает то, что называется «межфазной границей твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину.Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита. SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается.И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, силикон рассасывается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы. Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда.Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергнуть 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI. У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии.Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

В 2020 году новый Tesla Roadster должен стать первым электромобилем, который может проехать 1000 км (620 миль) без подзарядки.

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, направленные на накопление большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется.Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy выпустила на рынок литий-металлический аккумулятор для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она по-прежнему продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны с современными литий-ионными батареями, начали взрываться. в карманах людей.В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог воспламенения. Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы.С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету. Усилия по расширению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей. Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения.Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 млн долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансе

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с батарейками — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

На данный момент химики по производству аккумуляторов обнаружили, что, пытаясь улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), они вынуждены идти на компромисс с другой характеристикой (например, безопасностью). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — Йет-Мин Чан из Массачусетского технологического института считает, что сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад, — шансы на успех возрастают. Потенциал аккумуляторов остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых аккумуляторах с хорошей долей скептицизма.

Щелочные батареи и цинковые батареи: различия >>

Какие батареи следует использовать в слаботочных устройствах, таких как пульт от телевизора или часы? А какие из них идеально подходят для вашего телефона dect? Вы должны выбрать цинковые батареи или щелочные элементы лучше? Но в чем главное отличие обоих аккумуляторов? Обзор ниже.

Основное различие между цинковой батареей и щелочной батареей — это тип электролита, который используется в обеих батареях. Цинковые батареи в основном состоят из хлорида аммония, в то время как щелочные батареи используют гидроксид калия. Однако эти технические характеристики ничего не говорят об использовании батарей. Вот почему мы сейчас более подробно рассмотрим емкость, преимущества и области применения цинковых и щелочных батарей.

Преимущества щелочных батарей

Щелочные батареи имеют более высокую плотность энергии и более длительный срок хранения — время, в течение которого батарея может оставаться на хранении без потери своей емкости. Технология щелочных батарей — это технология, в которой интенсивные исследования и разработки привели к созданию трех уникальных технологий. Щелочные батареи Panasonic прежде всего имеют защиту от утечек, чтобы предотвратить повреждение приборов. Причина утечки — химический состав батареи, который меняется, и газ, который выделяется при разряде батареи.

Кроме того, внутри батарей есть специально разработанное покрытие, которое снижает контактное сопротивление для большей надежности. Наконец, щелочные элементы имеют формулу дополнительной мощности для поддержания мощности в течение более длительного периода в устройствах с высоким энергопотреблением.

Устройства для щелочных батарей

Поскольку щелочные батареи обеспечивают больше энергии, чем цинковые батареи, вы должны использовать щелочные элементы для таких устройств, как зубные щетки, игрушки и игровые контроллеры.

Узнайте обо всех щелочных батареях Panasonic и их характеристиках прямо сейчас.

Преимущества цинка

Цинк-угольные батареи Panasonic широко используются во всем мире. Они сделаны по простой, опытной и надежной технологии и имеют отличное соотношение цены и качества. Батарея экономична с точки зрения стоимости часа для устройств с низким энергопотреблением.

Приборы для цинка

Эти батареи являются надежным источником энергии для приборов, потребляющих мало энергии. В таких приборах, как пульты дистанционного управления для телевизора, часы, детекторы дыма и фонари, вы должны использовать цинковые батареи из-за низкого потребления энергии.Это позволит использовать технику дольше за те же деньги.

Откройте для себя все преимущества цинковых батарей Panasonic.

Емкость

Как и ожидалось, емкость обоих аккумуляторов разная. Из-за своего состава щелочная батарея обеспечивает больше энергии, чем цинковая батарея . Единственным следствием этого является то, что обе батареи следует использовать в разных приложениях.

Другие батареи

Используете ли вы другие приложения, кроме указанных выше? Panasonic предлагает целый ряд аккумуляторов, идеально подходящих для ваших устройств.

Evolta

Перезаряжаемая батарея EVOLTA идеально подходит для таких продуктов, как телефоны dect, камеры со вспышкой, игрушечные машинки и даже игровые контроллеры, которые часто используются в приложениях с высоким энергопотреблением. Эта аккумуляторная батарея предназначена для приложений с высокой мощностью (мин. 2450 мАч для батарей AA и 900 мАч для батарей AAA) и сохраняет до 80% первоначальной емкости после хранения в течение года. Элементы Panasonic Evolta также устойчивы в холодных погодных условиях, поэтому они идеально подходят, когда вам нужно использовать фотоаппарат при температуре -20 ° C.

Случайные пользователи

Периодические пользователи должны использовать другую аккумуляторную батарею Panasonic, готовую к использованию. Они идеально подходят для аккумуляторов емкостью не менее 1000 мАч для батареек типа AA и телефонных батарей. Вы также можете использовать их в компьютерной мыши, пульте дистанционного управления и телефоне.

Постоянные пользователи

Вы часто пользуетесь батареями? Затем готовый к использованию (перезаряжаемый) аккумулятор Panasonic с мин. 1900 мАч (AA) или 750 мАч (AAA) идеально. Используйте эти батареи только в таких приборах, как фонарики, зубные щетки, компьютерные мыши и пульты дистанционного управления.

Для устройств с высоким энергопотреблением

Рядом с Evolta для интенсивных пользователей есть еще одна аккумуляторная батарея с высокой емкостью для устройств с высоким энергопотреблением (Ni-MH 2700 — Ni-MH 1000), таких как фонарики, игровые контроллеры, фонарики и игрушки.

Воспользуйтесь поиском по продукту здесь, чтобы убедиться, что вы используете правильный аккумулятор в своих бытовых приборах.

Это 5 лучших аккумуляторов для устройств с высоким энергопотреблением: большая экономия на аккумуляторах, узнайте цену

Тип батареи, которую вы выбираете, важнее, чем вы думаете — и мы не говорим о AA, AAA и т. Д.Ваши устройства потребляют энергию с разной скоростью, поэтому вам следует выбрать аккумулятор, наиболее подходящий для его уникального потребления. Устройства, которые потребляют много энергии за короткие промежутки времени, называются «устройствами с высоким энергопотреблением». Например:

• Цифровые фотоаппараты
• Сотовые телефоны
• Портативные видеоигры
• Портативные устройства Bluetooth
• Радиоуправляемые игрушки

Хороший способ определить, потребляет ли устройство большое количество энергии, — это то, как часто вы должны его заряжать.Если полного заряда хватит на день или два, значит, это устройство с высоким энергопотреблением.

Эти устройства не подходят для работы от тех же батарей, что и устройства с низким уровнем заряда. Вы бы не хотели садиться на вола в Дерби или использовать скаковую лошадь, чтобы вспахивать поля. Вот почему вам обычно следует использовать щелочные батареи для устройств с низким энергопотреблением и литий-ионные батареи для устройств с высоким энергопотреблением.

Следует отметить, что высокий и низкий сток представляют две стороны спектра.Большинство устройств находятся где-то посередине. Если ваше устройство находится ближе к середине, есть щелочные батареи с высоким разрядом, которые справятся со своей задачей. Вы должны рассматривать только литиево-ионные аккумуляторы, поскольку они почти полностью разряжены, поскольку они специально разработаны для быстрых и мощных всплесков энергии. Вот почему они идеально подходят для вспышек фотоаппаратов, нескольких часов игры или музыкального вечера.

Вот некоторые из лучших аккумуляторов для ваших устройств с высоким энергопотреблением:

Известные как батарейки №1 с длительным сроком службы на рынке, литиевые батарейки Energizer Ultimate AAA предназначены для работы в тяжелых условиях, дома и в играх.Отлично подходит для любого устройства AAA.

---

No AA щелочная батарея работает дольше согласно тестам ANSI средней производительности. Это означает более длительное время автономной работы таких мощных устройств, как динамики Bluetooth, игровые контроллеры, цифровые камеры и т. Д.

---

Щелочные батареи Duracell Procell 9V идеально подходят для устройств со средней скоростью разряда. Если ваше устройство не является экстремальным по спектру скорости разряда, эта щелочная батарея может быть лучшим вариантом для его питания.

---

Литиевая батарея L91 Energizer Ultimate AA была занесена в Книгу рекордов Гиннеса ™ как самая долговечная батарея AA в мире после тщательных испытаний цифровых фотоаппаратов, пультов дистанционного управления и переносных фонарей у конкурентов.

---

Батарейки

Energizer Photo обеспечивают надежное питание фонарей, цифровых фотоаппаратов, цифровых видеокамер, устройств умного дома, вспышек, лазеров и многого другого. Идеально подходит для любого семейного или профессионального фотографа, который всегда под рукой.

Литиевые и NiMH аккумуляторы

Действительно ли мне нужны расходы и риски, связанные с изготовлением литиево-химической аккумуляторной батареи, изготовленной по индивидуальному заказу?

Перезаряжаемые аккумуляторные батареи, использующие литиевые элементы, могут обеспечивать как высокое напряжение, так и отличную емкость, что приводит к необычайно высокой плотности энергии. Многие приложения, такие как сотовые телефоны, медицинские устройства, электромобили и другие, требуют такой высокой плотности энергии, что подойдет только химия лития.Тем не менее, для многих применений, которые мы видим, специальные никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторные батареи более экономичны в разработке и производстве и не содержат всех потенциальных опасностей, связанных с литиевыми продуктами.

Батареи

NiMH используются с начала 1970-х годов. В основе этой технологии лежат высокая плотность энергии (по сравнению с NiCd и свинцово-кислотными), экологичность, хорошие показатели жизненного цикла и хорошие показатели безопасности и надежности.И хотя никель-металлогидридные аккумуляторные батареи не нуждаются в сложной BMS (системе управления батареями), необходимой для литиевых батарей, мы проектируем и производим системы BMS для никель-металлгидридных батарей, которые продлевают срок службы батарейного блока и поддерживают связь с устройством заказчика, чтобы обеспечить надежность та же информация, что и у сложного литиевого блока.

Быстрые ссылки

---

Каковы наилучшие области применения никель-металлгидридных аккумуляторных батарей?

NiMH аккумуляторы лучше всего подходят для большинства областей применения, где существует высокий спрос и потребление энергии.Они также подходят для использования в качестве резервного источника питания, где NiMH аккумуляторы имеют BMS для управления зарядкой и разрядкой, чтобы продлить срок службы аккумуляторной батареи.

Никель-металлогидридные аккумуляторы не саморазряжаются и склонны к эффекту памяти?

Да, никель-металлогидридные (NiMH) батареи будут саморазряжаться на 1% в день, если они используются в устройстве с низким энергопотреблением или в режиме ожидания, и известно, что химический состав подвержен эффекту памяти.Однако, используя очень экономичную технологию BMS от таких производителей, как Texas Instruments, Analog Devices и On Semiconductor, мы можем разработать систему, которая непрерывно заряжает аккумулятор (скорость заряда менее 0,025 C (C / 40)), чтобы гарантировать что аккумулятор всегда находится на максимальной емкости и уменьшит негативные последствия перезарядки.

Прослужат ли никель-металлгидридные батареи столько же, сколько и литиевая?

Если NiMH аккумулятор постоянно перезаряжается, на электродах образуются мелкие кристаллы, препятствующие их полной зарядке, и в результате напряжение аккумулятора падает.Недостаточная зарядка может привести к ухудшению обслуживания, а перезарядка может привести к сокращению срока службы. Чтобы решить эту проблему, используйте нашу экономичную BMS, которая управляет процессом зарядки, так что никогда не будет 100% вероятности перезарядки и повреждения аккумулятора.

Большинство зарядных устройств начального уровня используют рудиментарные таймеры, а не активно контролируют напряжение, чтобы определить, когда следует отключить ток заряда. Как правило, для никель-металлгидридных аккумуляторов предпочтительнее интеллектуальное зарядное устройство средней продолжительности (от 2 до 3 часов).Чрезвычайно быстрая зарядка (менее 1 часа) может повлиять на срок службы батареи, и ее следует ограничивать по мере необходимости.

Нужна ли в корпусе для никель-металлгидридного аккумуляторного блока вентиляция, аналогичная литиевой?

Первичные газы, выделяемые никель-металлгидридной батареей при чрезмерной перезарядке или чрезмерной разрядке, — это водород и кислород. Батарейный отсек не должен быть герметичным и должен иметь хорошую вентиляцию. Изоляция батареи от тепловыделяющих компонентов и вентиляция вокруг батареи также уменьшит тепловую нагрузку на батарею и упростит разработку соответствующих систем зарядки.

Действительно ли мне нужна BMS для NiMH аккумуляторной батареи?

Нет, не знаешь. Однако никель-металлгидридные аккумуляторные батареи являются одними из самых сложных для точной зарядки, и, поскольку решения BMS очень рентабельны, мы рекомендуем использовать один в вашем дизайне. Зарядка для NiMH аккумуляторов основана на пропускании тока через аккумулятор, тогда как с литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами вы можете контролировать перезаряд, просто установив максимальное напряжение заряда.Следовательно, наличие электронного предохранителя продлит общий срок службы батареи.

В чем разница между NiMH и литием в общей стоимости и размере аккумуляторной батареи?

Вот где две большие разницы, когда дело доходит до этих двух химических составов:

1. Стоимость: NiMH составляет менее 50% от литиевой батареи с точки зрения конечной цены производства аккумуляторной батареи и менее 75% от литиевой батареи с точки зрения разработки продукта.Хотя у NiMH есть некоторые нормативные и другие этапы разработки, он все же значительно меньше, чем литий.
2. Размер: Литиевые элементы легче и меньше никель-металлогидридных (NiMH) элементов, однако литиевые элементы имеют в среднем только 1500 мАч по сравнению со средним значением 2200 мАч для NiMH-элементов.

Основные конструктивные особенности

	Ni-MH	Литий-ионный
Напряжение элемента (В)	1.2	3,6
Удельная энергия (Втч / кг)	1–80	3–100
Удельная мощность (Вт / кг)	<200	100–1000
Плотность энергии (кВтч / м3)	70–100	80–200
Плотность мощности (МВт / м3)	1.5–4	0,4 ​​- 2
КПД (%)	81	99

×

Ebook Скачать

Плюсы и минусы никелевых аккумуляторов над литиевыми

5 вещей, которые нужно знать при выборе химического состава клетки

Загрузите вашу копию

Внутри батарей, питающих ваш автомобиль, телефон и многое другое

Батареи завоевали современный мир, не сильно изменившись.

Смартфон, для сравнения, имеет гораздо меньше общего с предшествующими ему мэйнфреймами. То же самое касается Tesla Model 3 и Ford Model T. Но литий-ионная технология, используемая в сегодняшних батареях, выдержала десятилетия экспоненциального роста — переход от гаджетов к электромобилям и даже порождение нескольких миллиардеров на этом пути — без серьезных изменений в его структура с тех пор, как Sony впервые коммерциализировала технологию в 1991 году.

Это не потому, что химики не пробовали.Просто разработка новых материалов, отвечающих промышленным стандартам, — очень сложная проблема.

Все батареи состоят из четырех компонентов: двух электродов (анода и катода), жидкого электролита, который помогает ионам перемещаться между электродами, и разделителя, предотвращающего прямой контакт электродов друг с другом и предотвращающего возгорание. Когда батарея заряжена, ионы текут от катода к аноду. Когда он разряжается, ионы меняют курс.

По мере того, как мир движется к быстрому сокращению выбросов парниковых газов, продолжается гонка за то, чтобы подключить к еще более мощным батареям больше вещей: электросети, грузовики, корабли и даже самолеты.Внутреннее пространство этой важной технологии, наконец, готово увидеть драматические изменения, и ряд скрытых стартапов обещает прорывы. QuantumScape Corp. утверждает, что создала новый материал для аккумуляторов, который позволил бы электромобилям путешествовать дальше и заряжаться намного быстрее — и в результате стартап имеет оценку, которая в последние недели колеблется от 13 до 20 миллиардов долларов, даже без каких-либо доходов от продаж. зрение. Его конкуренты, в том числе такие гиганты, как Samsung и Panasonic, также гонятся за батареями следующего поколения.

Прежде чем мы перейдем к аккумуляторному будущему, важно понять физическую эволюцию современной литий-ионной технологии. Миллиарды людей используют телефоны с более быстрой подзарядкой и автомобили с большей дальностью действия, но немногие из нас могут объяснить, что стоит за этими улучшениями. Это история хитростей: небольшая эффективность производства, небольшие улучшения в материалах и небольшой прирост производительности.

Батарея оценивается по тому, сколько энергии она заряжает. Этот ключевой фактор тесно связан со скоростью зарядки аккумулятора, количеством циклов заряда-разряда, которое он может выдержать, и безопасностью.Повышенная плотность энергии также может сделать его более подверженным возгоранию. Более высокая скорость перезарядки может привести к сокращению жизненных циклов.

В конечном счете, цена царит безраздельно. Это определяется тем, сколько энергии может хранить батарея, материалами, из которых она изготовлена, и толщиной электродного покрытия, которое можно нанести без ущерба для характеристик. Чем ниже стоимость, тем дешевле электромобиль.

За последнее десятилетие небольшие разработки привели к кумулятивному снижению стоимости литий-ионных батарей более чем на 90%.Группа BloombergNEF, занимающаяся исследованиями в области экологически чистой энергии, ожидает, что с учетом будущих разработок в ближайшее десятилетие затраты снизятся вдвое. Электромобили уже сейчас конкурентоспособны во многих странах, если учесть затраты на топливо в течение срока службы автомобиля, но по мере дальнейшего снижения стоимости аккумуляторов даже ориентировочная цена электромобилей будет дешевле, чем цена альтернативы с бензиновым двигателем.

Возвращаясь к началу, литий-ионный аккумулятор был получен в исследовательской лаборатории Exxon еще в 1970-х годах. Металлический литий, из которого сделан анод батареи, продолжал вызывать пожары, что привело к тому, что Exxon отказалась от этой идеи.Академический интерес продолжался, и ученые из разных частей мира разрабатывали более безопасные материалы.

Американский ученый Джон Гуденаф обнаружил, что катоды, полностью сделанные из кобальта, более безопасны и хранят больше энергии. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Затем марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что использование графита, формы углерода, в качестве анода сделало литий-ионную батарею намного более стабильной и, таким образом, помогло ей прослужить дольше. Наконец, Кейдзабуро Тозава, глава аккумуляторного подразделения Sony в 1990-х годах, объединил все эти изобретения, чтобы создать первую коммерческую литий-ионную батарею.

Несмотря на то, что кобальт — дорогой металл, он оставался доступным для использования в небольших батареях ранних ноутбуков и мобильных телефонов. Но как только литий-ионные батареи начали использоваться в электромобилях, химики стали искать более дешевые металлы, такие как никель, марганец и даже железо.

Альтернативные металлы требуют тщательной оценки. Если дешевый металл означает непропорционально худшую производительность батареи, этого не пойдет. Благодаря миллионам экспериментов на рынке стали доминировать три типа катодов: оксиды никель-марганца-кобальта (NMC), оксиды никель-кобальта-алюминия (NCA) и фосфат лития-железа (LFP).

Давайте заглянем внутрь черного ящика, который представляет собой батарею, чтобы понять, как мы сюда попали и что будет дальше.

Сокращение выбросов кобальта с помощью NMC

Одной из первых альтернатив кобальту было использование никеля и марганца, которые превышали способность кобальта накапливать ионы лития. Но полностью потерять кобальт было невозможно. Химики узнали, что кобальт играет роль учителя в школе, дисциплинируя непослушные ионы лития во время их движения и гарантируя, что батарея продержится большее количество циклов заряда-разряда.

За несколько лет исследований химикам удалось увеличить толщину материала анода и катода, которые являются энергоносителями в батарее, по сравнению с другими деталями. Методом проб и ошибок они также нашли смесь, в которой можно было бы использовать меньше кобальта и больше никеля. Все это помогает накапливать больше ионов лития на единицу объема и массы, что помогает увеличить удельную энергию батареи. Это, в свою очередь, увеличивает запас хода автомобиля и снижает его ориентировочную цену.

Алюминий

приходит с Tesla NCA

Вместо марганца Tesla и ее партнер по производству аккумуляторов Panasonic обнаружили, что алюминий также может выполнять эту работу. В то время это считалось более рискованным делом, чем химия NMC, но ставка окупилась для Tesla. NCA также был дешевле, чем NMC, потому что это еще больше снизило использование кобальта. Химия стала основой автомобилей Tesla, которые часто могут похвастаться превосходными характеристиками по сравнению с другими электромобилями.

Химики

Tesla также обнаружили, что добавление небольшого количества оксида кремния, например, перца в макароны, помогает уменьшить количество графита, необходимое для хранения того же количества ионов лития.Это помогло уменьшить вес батареи без ущерба для производительности и снизить ее стоимость. Модель 3 была выпущена с этим новым химическим составом и помогла Tesla создать самый доступный автомобиль на сегодняшний день.

Нет необходимости в кобальте с LFP

Конечная цель катодных материалов нынешнего поколения — полностью отказаться от использования кобальта. Первой попыткой этого было развитие химии LFP, которая сделала использование железа доступным по очень низким ценам. Батарея хорошо себя показала по большинству показателей, но она не могла удерживать столько ионов лития, сколько могли бы иметь катоды с высоким содержанием кобальта.

Однако экономическая выгода была достаточно большой, чтобы батареи LFP нашли применение в дешевых электромобилях, таких как такси, и в электрических автобусах, которым требовались аккумуляторные блоки гораздо большего размера. Поскольку автобусы нуждаются в гораздо более крупных аккумуляторных батареях, а такси должно быть как можно более дешевым, это помогло сделать самый дешевый литий-ионный аккумулятор лучшим кандидатом для другого сегмента рынка электромобилей.

Более десяти лет работы помогли LFP-батареям улучшить производительность, даже несмотря на то, что они по-прежнему уступают химическим составам катодов на основе кобальта по плотности энергии.Основным преимуществом стало создание стабильной батареи с более толстыми материалами электродов. В сложной химической смеси, которая представляет собой батарею, небольшое увеличение толщины — немалый подвиг.

В будущее твердотельного оборудования

Конечная цель анода в литий-ионной батарее — использовать металлический литий. Стремление создать этот материал привело к плачевным результатам. Металлический литий нестабилен и склонен к возгоранию. Внутри аккумулятора при зарядке и разрядке он также имеет тенденцию образовывать тонкие нити, называемые дендритами, которые могут прорезать сепаратор и контактировать с катодом.Это вызывает короткое замыкание, а затем пожар. Пожары аккумуляторных батарей потушить гораздо труднее, чем возгорания двигателей внутреннего сгорания.

Химики-разработчики аккумуляторов десятилетиями пытались решить проблему дендритов. Одной из многообещающих попыток является использование твердого электролита для замены жидкости в системе и подавления образования дендритов. Эта технология получила новое название: твердотельный аккумулятор. Если твердотельные аккумуляторы появятся на рынке во второй половине этого десятилетия, как и ожидалось, они, вероятно, будут представлять собой большой скачок в производительности аккумуляторов, увеличивая диапазон электромобилей на 50% и сокращая время зарядки до 15. минут.

Поскольку металлический литий выглядит как многообещающий анодный материал, химики-химики снова ищут новые катодные материалы. Ожидается, что эти новые материалы, не содержащие кобальта, еще больше повысят плотность энергии, что может сделать батареи достаточно легкими для питания электрических самолетов. Литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь от лабораторий Exxon до переворота в автомобильной промышленности. И, тем не менее, для мира это только начало использования потенциала этой экологически чистой технологии.

Исправление: В статье ранее говорилось, что Гуденаф был британцем. Он американец, но его работа, удостоенная Нобелевской премии, в Оксфордском университете в Великобритании

Вечно через пять лет? Нет, батарейки под носом поправляются

Увеличить / В каком году снова появится мистер Фьюжн, чтобы составить конкуренцию Tesla и др.?

Универсальные картинки

Трудно писать об исследованиях аккумуляторов в отношении этих компонентов, не услышав эха определенных комментариев еще до того, как они будут опубликованы: Его никогда не увидят на рынке.До холодного синтеза навсегда останется 20 лет, а до новой технологии батарей навсегда останется пять лет.

Этот скептицизм понятен, когда новый дизайн батареи обещает революцию, но он рискует упустить тот факт, что батареи стали лучше . Литий-ионные батареи уже давно воцарились — это правда. Но «литий-ионные» — это батареи категории , которые включают в себя широкий спектр технологий, как с точки зрения аккумуляторов, используемых сегодня, так и тех, которые мы использовали ранее.Многое можно сделать — и много было сделано — чтобы сделать литий-ионный аккумулятор лучшего качества. Фактически, прирост количества энергии, которое они могут хранить, составляет порядка пяти процентов в год. Это означает, что емкость ваших нынешних аккумуляторов более чем в 1,5 раза выше, чем они были бы десять лет назад.

Литий-ионные батареи

эволюционировали, заметили вы это или нет. Вот как.

Почему литий-ионный рев?

Полезно начать с определения того, что делает аккумулятор «литий-ионным».«Звезды шоу, очевидно, — это атомы лития, которые легко отдают электрон, образуя ионы. Каждая батарея имеет катод и анод, а между ними находится сепаратор и электролит. На катодной стороне литий находится в составе оксида металла, где он будет оставаться до тех пор, пока каждый атом удерживает этот электрон. После отделения от электрона ионы лития будут перемещаться через сепаратор и собираться на аноде. Освободившиеся электроны не могут пересечь разделитель, поэтому вместо этого они проходят через цепь, подключенную к двум электродам батареи.

Во время зарядки ионы и электроны лития накапливаются в аноде. Во время разряда электроны проходят через цепь, и ионы лития снова проходят через сепаратор, воссоединяясь по мере того, как литий осаждается обратно в структуру материала катода.

Увеличьте / узрите: литий-ионный аккумулятор.

Фактическая батарея состоит из трех слоев материалов: катодного материала, нанесенного на металлическую фольгу, разделительного слоя и анодного материала, нанесенного на другую металлическую фольгу. Сложите их вместе, и у вас будет карманный или призматический аккумулятор, который вы можете найти в своем телефоне или Chevy Bolt.Сверните слои в катушку, и у вас будет цилиндрическая батарея, как в электроинструментах или Tesla.

Реклама

Вы не можете избавиться от лития и по-прежнему называть его литий-ионным аккумулятором, но все остальное — честная игра. Для изготовления катода используется много разных материалов, и вы можете заменить сепаратор или попробовать другой химический состав электролита. Есть даже варианты анодного материала, хотя один из них уже давно доминирует.

В первых попытках создания литий-ионных аккумуляторов в качестве анода использовался твердый металлический литий, но это приводило к серьезным проблемам со стабильностью. (Проблемы, над которыми до сих пор работают.) Прорывом стало использование графита в качестве анода. Графит занимает ценное пространство, не обеспечивая при этом дополнительной энергоемкости, но его пластинчатая структура обеспечивает безопасное размещение ионов лития, значительно увеличивая срок службы и безопасность. Благодаря этому в 1991 году появились первые литий-ионные аккумуляторы Sony.

Даже первые литий-ионные батареи имели большую плотность энергии, чем никель-металлогидридные батареи, удерживая больший заряд в меньшем пространстве при меньшем весе. Они также работают с более высоким напряжением ячеек, что может быть полезно. Конечно, это еще не все солнце и единороги. Литий-ионные батареи более дорогие, а органический растворитель, используемый для электролита, легко воспламеняется, что создает опасность возгорания, с которой необходимо тщательно бороться.

Никель-металлогидридные батареи

продолжают использоваться в перезаряжаемых батареях AA и AAA, а также в гибридных транспортных средствах, которые не нуждаются в таком большом накоплении энергии.Но литий-ионный аккумулятор доминирует там, где пространство и вес имеют большое значение, в таких местах, как ноутбук или электромобиль.

Очень специфический набор навыков

Батареи

обладают более чем одной или двумя важными характеристиками, поэтому они часто представлены в виде паутины (например, приведенной ниже). «Есть плотность энергии, есть удельная мощность, есть стоимость, есть срок службы, есть календарный срок, есть безопасность», — сказал Ars Венкат Сринивасан из Аргоннской национальной лаборатории.«Что обычно происходит в батареях, так это компромисс между этими разными вещами». Даже просто придерживаясь литий-ионных аккумуляторов, существуют конфигурации и конструкции, которые могут подчеркнуть некоторые из этих характеристик за счет чего-то еще. Например, можно немного повысить плотность энергии, но, возможно, это будет связано с более высокими затратами или с сокращением срока службы.

Реклама Увеличить / Единый общий набор характеристик аккумулятора.

Это может быть одной из причин разочарования или скептицизма в отношении новостей об исследованиях аккумуляторов. Исследование может определить способ значительного улучшения одной характеристики, сделав захватывающий вывод о прибылях и убытках. Но дизайн может быть непрактично плохим по-другому. Хотя исследователи аккумуляторов учатся на том, что работает, а что нет, это означает, что многие лабораторные аккумуляторы, о которых вы можете прочитать, никогда не появятся на рынке.

Однако это также означает, что существует множество ручек, которые можно использовать для настройки конкретной конструкции батареи.Даже такие, казалось бы, незначительные вещи, как точная толщина анодного или катодного слоя, который осаждается на металлической фольге, могут повлиять на поведение. Например, чем толще катод по сравнению с его подложкой из фольги, тем выше удельная энергия батареи, поскольку фольга занимает меньшую часть общего объема. Но более толстый слой материала также означает более длительный путь для ионов и электронов лития. Это выделяет больше тепла во время работы от батареи и сокращает срок службы. С другой стороны, держите катод тоньше, и он сможет выдерживать более высокие скорости заряда и разряда, поскольку более короткий путь легче.

В небольших устройствах, где пространство ограничено, предпочтительны более дорогие конструкции с максимальной плотностью энергии. Электромобили бывают разными, поскольку стоимость аккумулятора составляет значительную часть общей цены — добавление 20-процентной надбавки к аккумулятору может легко вывести автомобиль за пределы вашего бюджета. Жизненный цикл тоже должен быть намного больше.