Авто

Литий ионные автомобильные аккумуляторы – Литиевые аккумуляторы для автомобилей — особенности эксплуатации

Содержание

Литиевые аккумуляторы для авто — напряжение, емкость, характеристики

Для создания наиболее емких источников энергии в виде гальванических элементов, в прошлом веке был задекларирован легкий активный металл — литий. Однако прошли десятки лет, прежде чем конструкцию заставили работать без саморазряда и разрушения токопроводящей пластины. В настоящее время литиевые батарейки и аккумуляторы используются в ноутбуках, телефонах, питают энергией другие гаджеты. Основными характеристиками источника энергии является напряжение, емкость и рабочий ресурс.

Виды литиевых батарей

Использовать в качестве электрода чистый литий оказалось невозможно по многим причинам. Основная – быстрый саморазряд, связанный даже с возгоранием. Итогом стало изготовление катода из алюминиевой или медной фольги, на которую нано слоем наносилась дисперсная соль, включающая ионы Li. Емкость литий-ионных батарей несколько меньше, зато саморазряд приближается к нулю, безопасность высокая.

В зависимости от места применения аккумуляторов используются различные составы электролита:

  • Литий-ионные, электролит жидкий, катод LiCoO2 с номинальным напряжением 3,6 В.
  • Литий-полимерные –электролит в форме геля, номинальное напряжение 3,7 В.
  • Литий-железо-фосфатные – тяговые, катод LiFePO4номинальное напряжение 3,3 В. Литиевые тяговые аккумуляторы работают на морозе, не пожароопасны.

Так как система чувствительна к колебанию заряд/разряд, каждый элемент снабжен контроллером. Если в батарее несколько элементов, в зарядном устройстве есть балансир, служащий для равномерной зарядки каждого элемента.

ЗУ для Ли-Ион Акомуляторов

К недостаткам литиевых батарей относят:

  • опасность возгорания всех, кроме тяговых аккумуляторов;
  • Li-ion, Li-Po аккумуляторы боятся минусовых температур и жары, теряют емкость, не заряжаются;
  • необходимость использования контроллера в батарейке и балансира в ЗУ;
  • аккумуляторы боятся глубокого разряда.

Именно по этим причинам нужно подумать, прежде чем купить для авто литиевый аккумулятор.

В чем отличие литиевых аккумуляторов и батареек АА, ААА от солевых

Виды батарей

Маркировка на круглых батарейках АА означает размер гнезда по американскому стандарту, в России называют их пальчиковыми. Литиевые аккумуляторы АА или батарейки имеют такой же размер, но большую емкость и срок службы.

По стоимости источник питания с аккумулятором поднимает цену устройства на треть, работает без подзарядки около 20 часов. Недорогие одноразовые батарейки удобны в походе, но нет гарантии, что их качество соответствует заявленному производителем. Литий-ионные аккумуляторы удобнее – они подзаряжаются в любой момент, долго работают, но их нужно беречь от холода и сильной жары. Литиевые аккумуляторы ААА, крошечные, такие батарейки называют мизинчиковые, равны мизинцу.

Тяговые литиевые батареи

Литий-ионные аккумуляторы используют для обеспечения энергией погрузчиков, другой складской техники. Это большие литиевые аккумуляторы, где активный элемент находится в сложной соли LiFePO4, нанесенной на алюминиевую фольгу почти молекулярным слоем. Применение этих АКБ оптимально, характеризуется длительной работой батареи, достаточной мощностью и безопасностью. Конструкции аккумулятора модульные, можно выбрать под любые параметры. В комплекте получается батарея необслуживаемая, но с возможностью быстрого заряда и подзарядки в любое время.

Тяговые Li-ion АКБ

Напряжение литиевого аккумулятора

Рабочий диапазон напряжения литиевого аккумулятора от 2,7 до 4,2 В. Перезарядка также губительна для батареи, как и глубокий разряд. Чтобы увеличить срок службы устройства рабочий диапазон устанавливают 3,3-4,1 В. Уровень напряжения – зона ответственности контроллера прибора.

Любое зарядное устройство после преобразования сетевого питания имеет постоянный ток 5В. Подается на гаджет ток, силой 0,1 от емкости гаджета, примерно 1 А в течение часа. Затем в течение часа на батарее поддерживается напряжение 4,2 В равномерной подпиткой, еще час напряжение на батарее 4,2, а параметры питания снижаются. После устройство отключит потребителя, не допуская перезарядки. Разрядить аккумулятор до 2,0 В, значит, привести его в негодность.

Сборка батареи

 Емкость литиевого аккумулятора

Способность аккумулятора отдать определенное количество энергии при снижении напряжения от 4,2 В до 2,7 В называется полной емкостью. На практике напряжение снижается только до 3,1 В, что составит до 70 % от первоначального теоретического значения. Но с момента выпуска начинается деградация батареи, потеря емкости. Поэтому важно купить свежий аккумулятор. Потеря емкости в нормальных условиях составляет 10 % в год, независимо, загружена ли она. Лучшие условия для неработающего устройства – температура 0-10 0, отсутствие прямых солнечных лучей.

Какие литиевые аккумуляторы хорошие для авто

Авто АКБ мифы и реальность

Возникает вопрос, почему литий-ионные аккумуляторы не получили признания у автовладельцев? Какие условия необходимо обеспечить для нормальной работы литиевого автомобильного аккумулятора?

Современные усовершенствованные литиевые АКБ устанавливают флагманы машиностроения – Toyota, Ford на машинах премиум. Они оборудуют свои детища лучшими литиевыми аккумуляторами из серии тяговых. Неоспоримыми достоинствами «лития» считают:

  • меньший вес батареи, что облегчает авто;
  • большой ресурс хранения заряда;
  • большое количество циклов зарядки.

Но если в бортовой системе напряжение выше 14,4 В, аккумулятор выйдет из строя. Возникают проблемы с запуском мотора, если на улице мороз. Чем ниже температура, тем слабее работает АКБ. Очень высокая цена и моторесурс всего 3 года добавляют причин для отказа от перехода на современные, лучшие литиевые аккумуляторы.

Поставить на машину, не приспособленную под литиевый аккумулятор, батарею не просто. Потребуется модернизация бортовой цепи, замена электроники с дополнениями. Но при снижении стоимости на прибор ( сейчас он стоит 1500$), все можно реконструировать.

Вывод

Литий-ионные аккумуляторы и одноразовые батарейки уже заслужили отличные отзывы. Однако правильно эксплуатировать аккумуляторы пользователи не научились. Часто в ноутбуках портится батарея по причине постоянного полной потери емкости. Нет циклов, нет перезарядки. Необходимо все гаджеты доводить до полного разряда хотя бы раз в 3 месяца.

Видео

Видеосоветы, как правильно заряжать литиевый аккумуляторов будут полезны для всех.

 

batts.pro

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?


Когда ждать аккумуляторную революцию?


Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Главная проблема «революционных» батарей


Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.

Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Неудачные эксперименты


Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Выработка вместо накопления энергии


Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.

Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Видео с демонстрацией заправки и работы Toshiba Dynario

Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.


Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion


Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.


Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.


Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

Видео вскрытия святая святых — NCA-ячейки батареи электромобиля Tesla Model S

Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.


SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Тест литий-титанатной батареи Toshiba на разгерметизацию. Загорится или нет?

Энергетическая сингулярность


Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.


Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

habr.com

Алюминиевые аккумуляторы дешевле и безопаснее литиевых

Физики утверждают, что аккумуляторы на основе ионов алюминия намного эффективнее и безопаснее для экологии, чем популярные сегодня литиевые батареи.

Прогресс невозможно остановить, и сегодня все мы зависим от батареек, нравится нам это или нет. Все, от смартфонов до автомобилей, требует для работы аккумулятор. Однако современные литий-ионные обладают рядом очевидных недостатков. Новое исследование показало, что модернизированный тип алюминиевого аккумулятора во многом превосходит современный стандарт.

Основное преимущество алюминиевых аккумуляторов — это сравнительно низкие производственные затраты и использование материалов, которые в изобилии встречаются на нашей планете и при этом легко доступны. Это значит, что человеку не придется разрушать целые экосистемы и тратить огромные ресурсы на то, чтобы добыть материалы для их изготовления. В первую очередь этот концепт подходит для крупномасштабных энергосистем — например для районов, где существует возможность добывать энергию из возобновляемых источников и ее нужно где-то хранить.

Помимо дефицита лития, производители классических литий-ионных аккумуляторов также сталкиваются с проблемой использования кобальта, потенциально опасного для человека металла. Если у промышленников получится перейти на алюминий, то мы станем заметно меньше зависеть от ископаемого топлива, да и сам процесс производства и переработки батареек заметно упростится.

Схема алюминиевого аккумулятораYen Strandqvist/Chalmers University of Technology Схема алюминиевого аккумулятора

Физик Патрик Йоханссон из Технологического университета Чалмерса в Швеции также отметил, что аккумуляторы нового типа также обладают удвоенной энергоемкостью в сравнении с теми видами алюминиевых батарей, что уже существуют на рынке. Сам по себе концепт не является новаторским, но если раньше в качестве катода использовался графит, то теперь его заменил антрахинон.

Впрочем, даже сами разработчики признают, что их изобретению есть куда развиваться. Особенно это касается электролита — химической смеси, которая и стимулирует движение ионов между катодом и анодом. По словам Йохансона, алюминий в принципе является лучшим носителем заряда, чем литий, поскольку он многовалентный и «каждый ион компенсирует несколько электронов».

www.popmech.ru

какими могут быть аккумуляторы будущего / Mail.ru Group corporate blog / Habr

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.

Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.

В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы


В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo



Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками



В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы



В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы


В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки


Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы



Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера


Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы


Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы



Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости


Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки



В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде


Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу


Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы


Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор



В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой


В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром


В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка


Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие


В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами


В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества


Энергия кожи


Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху


uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot



Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель



В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

habr.com

Виды аккумуляторов, их преимущества и слабые стороны

Гибриды, плагин-гибридные и электрические автомобили: Какие батареи для них подходят лучше всего

Всего 10-12 лет назад мы не смогли бы поговорить на такую тему как использование различных типов аккумуляторов в гибридных, плагин- гибридных и электрических автомобилях по одной простой причине, их практически не существовало в природе, а рабочие экземпляры можно было посчитать по старинке, на пальцах обеих рук.

 

Теперь мы в 2016 году. И вокруг нас в городах ездит немалое количество гибридных машин, попадаются плагин- гибридные варианты и даже полностью электрические автомобили. Свои виды «зеленых» автомобилей будущего разрабатывают или уже презентовали почти все главные игроки от автоиндустрии. Да что там говорить, даже одни из самых быстрых гоночных автомобилей в мире от Ferrari, Porsche и McLaren стали гибридными, так что люди уже не будут смотреть на вас, как на странного хиппи, когда вы станете упоминать слова «гибридный» или «электромобиль».

 

Также уже существует достаточно большое количество электрических автомобилей, которые питаются частично или полностью от электричества, которое соответственно берется от батарей на борту ТС. Главные параметры, в которые безусловно входит максимальное расстояние, которое может преодолеть электрокар на одной зарядке и скорость зарядки аккумуляторов зависят от типа применяемых батарей. Именно поэтому мы посчитали важным описать общие преимущества и проблемы основных видов батарей на сегодняшнее время.

Два самых продаваемых электрических транспортных средства в мире- это Nissan Leaf, продано около четверти миллиона единиц на 2015 год, затем следует Tesla Model S, продажи которой зафиксированы в количество приблизительно в 100.000 штук. Совпадение или нет, но Leaf и Model S работают от одинакового типа литий-ионных (Li-Ion) батарей, поэтому мы начнем наш рассказ с них.

 

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы

Первоначально стали использоваться для питания портативных приборов бытовой электроники. Последнее десятилетие литий-ионные аккумуляторы постоянно развивались в автомобильном направлении, поэтому большинство современных (произведенных в 2015- 2016 годах) и предстоящих гибридов или полностью электрических автомобилей используют в своей схеме именно их.

 

Не все литий-ионные аккумуляторы похожи друг на друга, основные различия, заключаются в их дополнениях. Большинство портативных устройств, таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки используют в качестве аккумулирующего энергию элемента, Li-Ion батареи, созданные на основе оксида лития кобальта (LiCoO2), что дает им высокую плотность заряда.

LiCoO2 катоды также обладают некоторыми серьезными недостатками, они более восприимчивы к так называемому «тепловому убеганию», которое инициируется во время перезаряда или работы при высокой температуре. Другими словами, они могут буквально взорваться, когда эксплуатируется неправильно или при экстремальных нагрузках. Быть может по этой причине в автомобилестроении далеко не все производители имеют с ними дело.

 

Для более энергоемкого применения, в таких приборах как электроинструмент, медицинская техника и, прежде всего автомобили, существуют литий-ионные аккумуляторы сделанные на основе литий-железо фосфата (LiFePO4), оксида лития марганца (LMO) и оксида кобальта марганца лития никеля (NMC). Все они имеют несколько меньшую плотность энергии, чем LiCoO2, но и лучше в смысле безопасности и большей продолжительности жизни.

 

Смотрите также: Владелец самостоятельно починил аккумуляторы гибридной Camry за $10, Toyota требовала $4.456!

 

Большинство современных гибридных и электрических автомобилей используют NMC литий-ионные батареи.

 

Преимущества

Самое большое преимущество Li-Ion аккумуляторов состоит в лучшем соотношении энергии к весу, быстроте зарядки, у него практически отсутствует эффект памяти.

 

Большая удельная энергия означает, что такие аккумуляторы могут весить меньше. Этот нюанс очевидно, делает их более подходящими для использования в автомобилях, так как меньший вес увеличивает дистанцию на одной зарядке и производительность, в то же время придавая автомобилю лучшую управляемость.

 

Быстрота зарядки аккумуляторной батареи вещь относительная. В реальной жизни отличий между существующими (применяемыми) системами аккумуляторов вы не увидите.

Литий-ионные аккумуляторы, по-видимому меньше всего пострадали от проблемы эффекта памяти. Кратко говоря, некоторые типы батарей постепенно будут снижать свою максимальную энергоемкость с каждым циклом заряда-разряда. Обычно это происходит, когда они многократно заряжаются после того, как частично разряжаются.

 

В противополоденность тому, никелевые аккумуляторы больше всего страдают от так называемого эффекта памяти, при котором батарея со временем «запоминает», что она имеет меньшую энергоемкость.

 

Недостатки

Самым крупным недостатком литий-ионных батарей является стоимость их производства, которая значительно выше, чем при использовании других типов аккумуляторов.

 

По сравнению с никелевыми батареями, они на 40 процентов дороже в изготовлении. Цена издержек на производство будет вычтена из кошелька покупателя. Тем не менее, следует помнить, что производственные затраты будут постепенно уменьшаеться с течением времени для всех типов батарей.

 

Помимо небольшого снижения напряжения с каждым новым циклом заряда- разряда, количество энергии, которую они могут удерживать (ёмкость) не уменьшается с течением времени. В автомобилях, заявленные разработчиками жизненные циклы этих батарей составляют 10 лет. Поверим на слово, пока столь долго не тестировалась ни одна аккумуляторная Li-Ion батарея.

 

Таким образом, литий-ионные батареи имеют наименьшее количество недостатков по сравнению с большинством своих соперников, но они до сих пор далеки от идеального решения.

 

Никель-металл-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы

Старейший тип так называемых современных батарей, Ni-MH, по-прежнему используется во многих современных электрокарах, хотя литий-ионные аккумуляторы медленно начали вытеснять их со всех основных направлений, говорим мы о гибридах, плагин-гибридных автомобилях или полностью электрических транспортных средствах, везде виден переход на более современную систему хранения энергии.

 

Гораздо дешевле в изготовлении, чем Li-ионные аккумуляторы, тем не менее никель-металл-гидридные батареи также имеют как положительные, так и отрицательные стороны, которые для большинства производителей могут представлять реальную проблему при установке этого типа батарей в свои гибридные и электрические автомобили.

В отличие от Li-ионов, никель-металлогидридные аккумуляторы используют водород, никель и титан или подобный ему металл для хранения энергии. Это и делает их гораздо более дешевыми в производстве по сравнению с первым типом аккумуляторов, но, так как все больше автопроизводителей переходят на использование литий-ионных батарей (Tesla, например), большая разница в ценах должна сократиться.

 

Преимущества

До сих пор самым большим потенциалом для роста количества производимых никель-металл-гидридных батарей является их долговечность. За современными типами батарей необходимо следить, ухаживать, правильно их эксплуатировать, для того чтобы они работали как можно дольше, аккумуляторы NiMH переживают эксплуатацию без особых проблем, не теряя емкости могут прожить столько же, при минимальном уходе.

 

Смотрите также: Десять самых экономичных гибридных и электрических автомобилей

 

Их прочность тесно связана с безопасностью, для них не требуется дополнительных мер предосторожности, из-за содержания небольшого количества мягких токсинов, по сравнению с другими батареями. Кроме того, высокое содержание никеля в них делает их утилизации выгодной.

 

Недостатки

Основным препятствием для дальнейшего использования NiMH является их низкая плотность энергии, которая почти на 40% меньше, чем у их основного конкурента. Их определенно можно сделать по емкости такими же, как и литий- ионные батареи, но только путем увеличения их размеров, а соответственно и веса.

 

В гибридах, плагин-гибридах и электромобилях, аккумуляторы выполняют много работы во время движения, здесь в фокус зрения попадает еще одна неприятная черта никель-металлогидридных аккумуляторов. Если их быстро зарядить и затем использовать под высокой нагрузкой, они имеют тенденцию генерировать большое количество тепла, поэтому требуется отдельная система охлаждения, что в свою очередь добавляет еще больше веса.

 

Остальные типы аккумуляторных батарей

Есть много других типов батарей, которые, быть может, в конце концов, станут использоваться в автомобильной промышленности, но ни один из них не стал по-настоящему революционным и решающим все проблемы одновременно.

 

Разрабатываемые/ разработанные системы:

 

Кобальт Диоксид, фосфат железа (FePo) и литий-фосфат железа (LiFePO4), литий-воздух (Li -Air), литий-полимерная система (LiPo), никель-кобальт-марганец (NCM), никель-кобальт-алюминий (NCA) и оксид марганца (MnO)- это лишь некоторые из типов аккумуляторов, которые могут появиться в серийных электромобилях в будущем.

 

Кобальт диоксидовые батареи на рынке уже более десяти лет, питают небольшие электроприборы, такие как мобильные телефоны, игрушки или ноутбуки. У них есть два главных недостатка, особенно при серьезном использовании, это тепловой пробой и издержки производства, но в целом, они отлично зарекомендовали себя, когда дело доходит до плотности заряда.

 

Одной из наиболее стабильных и недорогих батарей стал фосфат железа, но эта система выполняет работу на более низком напряжении поэтому вам потребуется довольно много этого типа аккумуляторов, чтобы привести электрический автомобиль в движение.

 

Литий-полимерная система, LiPo, звучит гордо и своеобразно, на самом деле представляет из себя еще одну форму литий-ионных батарей. Основное отличие заключается в том, что литий-ионные полимеры упакованы в так называемом «формате мешка», который имеет как свои достоинства и недостатки. Вот почему они совсем недавно стали использовать в автомобилях.

 

NCM и NCA батареям предстоит еще долгий путь становления, до тех пор, пока они станут достаточно рентабельны для использования в автомобилях, не говоря уже о том, чтоб они стали восприимчивы к тепловому пробою.

 

До сих пор одним из самых интригующих новых технологий остается литий-воздушная батарея (LiAir), которая использует окисление лития на аноде и восстановление кислорода на катоде, чтобы индуцировать электрический ток. Двумя основными преимуществами литий-воздушного аккумулятора являются то, что это отличный источник энергии, почти сопоставим с бензином и от 5 до 15 раз мощнее, чем текущие литий-ионные батареи.

 

В любом случае, мы еще далеки от этих альтернативных типов батарей, устанавливаемых на крайне ограниченный процент гибридов и электромобилей. Но хорошая новость в том, что они на подходе и с ними придут новые возможности в использовании электрической техники в целом и машин в частности.

www.1gai.ru

Литий-ионные аккумуляторы — преимущества использования

А вы знаете почему лучше пользоваться литий-ионными аккумуляторами и модернизировать свою складскую технику.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют ряд преимуществ:

Долгий срок службы. 

Срок службы аккумулятора составляет рекордное количество циклов — до 5000. Li-ion аккумуляторы служат в 3 раза дольше. (У свинцово-кислотных 1000-1500 циклов).

Литиевая тяговая аккумуляторная батарея EnSol

Полностью необслуживаемый аккумулятор. 

Аккумулятор не требует какого-либо обслуживания в течение всего срока эксплуатации. 

Сверхбыстрый заряд. 

Важной особенностью литийжелезофосфатных аккумуляторов является их способность заряжаться высоким током. Благодаря этому аккумулятор может быть полностью заряжен менее чем за 2 часа, что позволяет обходиться одним комплектом, даже при самом высоком уровне загрузки техники. А всего за 20 минут на 25% от номинальной ёмкости. 

зарядка Li Ion АКБ

Подзарядка в любое время. 

У литий-ионных аккумуляторов отсутствует эффект памяти, поэтому его можно в любой момент времени подзарядить силами водителя техники. 

Быстрая скорость зарядки и отсутствие эффекта памяти позволяют оптимизировать по цене используемую ёмкость аккумулятора. При этом техника заряжается непосредственно на складе только во время естественных перерывов в работе операторов техники.

Альтернатива ёмкости свинцово-кислотных при режиме загрузки техники до 18 моточасов в сутки
зарядка Li Ion АКБ

Другими словами, оди Li-ion аккумулятор может заменить 2 кислотных или гелевых аккумулятора.

Безвредность и безопасность. 

Аккумулятор полностью герметичен, у него отсутствуют токсичные и коррозионно-активные выбросы при любом режиме эксплуатации и заряде. Встроенная система защиты полностью защищает аккумулятор от нештатных режимов работы. 
Экономия на содержании зарядной комнаты и дополнительного персонала. Отсутствие выделения водорода устраняет необходимость строительства зарядной комнаты, содержание дополнительного персонала и оборудования для обслуживания.

Литий ионный АКБ Energy8 на электропогрузчике Nichiyu

Удобство использования. 

Заряд Li-ion аккумуляторной батареи может производиться непосредственно в производственном помещении от сети. Для заряда не требуется снятие аккумулятора с погрузчика. 

Контакты Li ion АКБ Energy8

Безотказная работа при любой температуре

Литий-ионные аккумуляторы могут использоваться в широком диапазоне температур от -40 до +50 Сo. Таким образом, они идеально подходят для холодильных установок, так как, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, при температуре от 0 до -30 °С полезная ёмкость снижается менее чем на 10%.
Зависимость рабочих характеристик от температуры
Контакты Li ion АКБ Energy8

Отсутствие падения напряжения.

Полезная мощность Li-Ion аккумулятора существенно выше из-за отсутствия падения напряжения по мере разряда батареи.
По мере разрядки напряжение на свинцовых аккумуляторах заметно уменьшается, с 48 до 40 В, что фактически означает увеличение тока для поддержания необходимой мощности привода.
Эффект падения напряжения
Эффект падения напряжения на тяговых свинцовых АКБ

Сохранение ёмкости

Падение ёмкости в процессе службы литий ионных аккумуляторов существенно меньше по сравнению с кислотными.

Падение ёмкости аккумуляторов в процессе эксплуатации

Абсолютный эквивалент 500 ампер-часового свинцово-кислотного аккумулятора 300 ампер-часовой литий ионный.

Соответствие ёмкости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов

Соответствие ёмкости свинцово-кислотныйх и Li-ion АКБ

А также ряд других преимуществ: 

  • Высокое КПД. 
  • Можно хранить в разряженном состоянии. 
  • Разрядка до 10% от номинальной емкости. 
  • Зарядное устройство 220В. 

Устройство аккумулятора.

Для хранения энергии в Li-ion аккумуляторе используются литий-железо-фосфатные (LiFePO4) элементы. Этот тип элементов хорошо зарекомендовал себя как надежный и экономичный источник энергии. 

Элемент литий ионной батареи Energy8Элементы Li Ion батареи Energy8

Элементы Li Ion АКБ EnSol

Заряд аккумулятора. 

Важной особенностью литий-железо-фосфатных аккумуляторов является их способность заряжаться высоким током, что позволяет полностью зарядить аккумулятор менее чем за 2 часа. Отсутствие эффекта памяти также позволяет осуществлять дробные циклы заряда любой продолжительности при любом уровне заряда. Дробный заряд продлевает срок жизни аккумулятора. Подзарядка аккумулятора осуществляется во время технического или обеденного перерыва от источника электропитания.

Индикатор уровня заряда литиевого аккумулятора может располагаться как на самом аккумуляторе

Индикатор уровня заряда Li Ion батареи EnSol

так и отдельно на панеле приборов погрузчика

Датчик уровня заряда Li Ion АКБ

Сравнение условий эксплуатации тяговых аккумуляторов

Компания Склад.ру предлагает укомплектовать литиевыми-железо-фосфатными аккумуляторами любой вид электрической техники: 

  • электропогрузчики, 
  • ричтраки, 
  • штабелеры, 
  • электотележки, 
  • тягачи, 
  • платформенные тележки и т.д. 
Электропогрузчики Nissan на Li-ion батареях

www.sklad.ru

Производство литий-ионных аккумуляторов — технология и сложности

Любой прибор для превращения химической энергии в электрическую должен иметь активный металл с большим отрицательным потенциалом. То есть разность потенциалов на катоде и аноде должна быть максимальной. Оптимальными свойствами обладает литий.

Литий ионный аккумулятор

Устройство аккумуляторов

Легкий металл используется в виде химических соединений графита и литий-кобальт-оксида (LiCoO2), нанесенных в виде обмазки на медную и алюминиевую фольгу. Могут использоваться другие соли на основе лития. Весь процесс производства li-ion аккумуляторов состоит из этапов:

  • изготовление электродов;
  • сборка активной части и создание защиты;
  • упаковка, внесение электролита;
  • проверка работоспособности.

Две ленты сматываются в рулон или собираются из листов в корпус. Свободное пространство заливается электролитом, выполняются клеммные выводы в герметичном контуре. Литий-ионные аккумуляторы залиты жидким электролитом, литий-полимерные – гелевым.

В результате получаются приборы разных форм и габаритов. В пересчете на объем активной массы, характеристики:

  • плотность 150-200 Вт-ч/кг или 350-450 Вт-ч/л;
  • напряжение 3,6-3,7 В;
  • потеря 20 % емкости после 500-1000 циклов зарядки;
  • рабочие температуры -20 ~ +50 0.

Литий-ионные, литий-полимерные элементы

Применение компактные батарейки получили в ноутбуках, сотовых телефонах, фотоаппаратах. Ими оснащают электромобили. Производство литиевых аккумуляторов несложное, не требует больших площадей. Основные производственные площадки расположены в Азии, развивается производство литиевых аккумуляторов в РФ. Здесь построен самый большой «Ли-ион» завод в мире, в пригороде Новосибирска – Толмачево.

Технология производства литий-ионных аккумуляторов

Аноды и катоды в элементах сходны по форме, но имеют разное содержание. Смешение мелких компонентов до нанесения на анод или катод недопустимо. Поэтому, в производстве разнозаряженных полос для литиевых батарей, оборудование используется одно, а производственные площадки разные.

Этап 1.

Подготовка активного слоя для нанесения на фольгированную основу. В трубчатой печи состав спекается в однородную массу при температуре 1200 0 С. Полученное сырье размалывается на мельницах до мелкодисперсного состояния и тщательно перемешивается для полной однородности. Состав наносят на проводящую ленту, закрепляют в термопечи. Прецизионным прессом прокатывают заготовку и направляют с цех сборки.

Этап 2.

На высокоточном оборудовании нарезают материал на ленты или листы, снова сушат при 250 0, собирают в последовательности катод, анод в многослойную конструкцию определенной формы. Соединяют ультразвуковой сваркой отдельно катодные и анодные лепестки, выводят контакт на токосъемник. Происходит придание нужной формы и проверка элемента на КЗ.

Этап 3.

Приваривается отрицательная клемма и создается углубленный контур для последующей впайки крышки. В атмосфере инертного газа в корпус закачивается порция электролита, крышка устанавливается, центруется и сваривается, проверяется герметичность корпуса. Готовый элемент обертывается термоусадочной пленкой. На поверхности остаются только выводы полюсов. Здесь же проводится первичная зарядка батареи.

Этап 4.

На заключительном этапе производства литий-ионных батарей выполняют контроль качества, проверку емкости и замеры сопротивления. Сохранность батарей обеспечивается при температуре 0-10 градусов. За 2 года батарея без употребления может потерять 20 % от первоначальной емкости. При периодической разрядке – зарядке батарея выдерживает до 1000 циклов.

Производство литий-ионных аккумуляторов в России

Завод Лиотех

Производством, разработкой и исследованием литиевых аккумуляторов в России занимаются международные корпорации. Одна из них «НПО ССК (SSK group) создана на предприятиях «Радуга», расположенным в г, Сасово Рязанской области, на Украине и в Индии. Здесь освоена технология изготовления батарей емкостью до 1000 А-ч и напряжением до 300 В. Они могут работать в диапазоне температур -40 +90 , выдерживать до 3000 циклов разряда.

Есть Научный центр «Автономные источники тока». Располагается он в Сколково. Продукция рассчитана для систем накопления большой мощности (СНЭ), выпускается на крупногабаритный транспорт.

Крупнейшее в мире производство li-ion аккумуляторов в России построено в Новосибирске, как российско-китайское производство. Завод «Лиотех» производит изделия емкостью 200-700 А-ч, работающие при температурах от -45 до +65 градусов. Промышленное производство в 1 млн. штук в год призвано обеспечить 5 000 автобусов.

Характеристики продукции «Лиотех»

Продукция завода Лиотех

Развиваются производства, по ассортименту и количеству продукции уступающие зарубежным компаниям:

  • АК «Ригель»;
  • ОАО»Энергия»;
  • НИИХИТ-2.

Россия может производить литиевые батареи с довольно низкой себестоимостью – металл получают в Новосибирске, остальные компоненты также отечественные.

Видео

Предлагаем познакомиться с производством литиевых аккумуляторов в России на крупнейшем предприятии «Лиотех»

batts.pro

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о