Энергоемкость аккумулятора: Емкость аккумулятора, что это такое

Содержание

Сравнение аккумуляторов с другими источниками питания

Статья обновлена: 2020-05-11

Аккумуляторные технологии стремительно развиваются: появляются новые типы элементов питания, но даже новейшие разработки неспособны на 100% удовлетворить современные потребности в энергии. Хотя литий-ионные аккумуляторы имеют явные преимущества по сравнению с предшественниками, им также присущи определенные ограничения. Чтобы объективно оценить сильные и слабые стороны аккумуляторов, сравним их по разным критериям с другими источниками питания.

Сравнение характеристик

Батарейки, аккумуляторы и аккумуляторные батареи (АКБ) успешно используются для хранения энергии. Батарейки (первичные элементы питания) содержат больше энергии и имеют меньший саморазряд, чем перезаряжаемые аккумуляторы (вторичные элементы). Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА), как и их усовершенствованные аналоги на основе никеля или лития, работают в циклическом режиме. Они отдают накопленную энергию в процессе разряда, а затем восполняют ее запас при зарядке.

Сравним аккумуляторы и остальные источники питания по ключевым характеристикам:

Удельная энергия. Хотя по эффективности доставки энергии аккумуляторы выигрывают у тепловых двигателей, энергоемкость ископаемого топлива гораздо выше, чем аккумуляторов. Например, удельная энергоемкость бензина превышает 12 000 Вт·ч/кг, а у современных Li-ion аккумуляторов этот параметр составляет около 200 Вт·ч/кг. У суперконденсаторов удельная емкость еще ниже – от 1 до 30 Вт·ч/кг.

Готовность к работе. По этому параметру лидируют аккумуляторы. Они мгновенно готовы к использованию и за доли секунды отдают необходимую энергию. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, им не нужен прогрев. Для сравнения, даже реактивный двигатель разгоняется за несколько секунд, разным типам топливных элементов для набора мощности нужно несколько минут, а холодный паровой двигатель наращивает пар за несколько часов.
Диапазон нагрузок (полоса пропускания). Большинство аккумуляторов эффективно работает в широком диапазоне нагрузок. Эта особенность присуща также дизельному двигателю. У топливных элементов полоса пропускания узкая – для оптимальной работы им нужна строго определенная нагрузка. Аналогичная ситуация и с реактивным двигателем – эффективность его работы зависит от об./мин.
Время подзарядки. Все вторичные элементы питания требуют определенного времени для восполнения заряда. Модели на основе лития или никеля заряжаются за 1–3 часа, а свинцово-кислотные – примерно за 14 часов. Заправить автомобиль топливом можно за считанные минуты, а для подзарядки электромобиля до уровня 80% нужно около часа. К тому же, при частом использовании сверхбыстрой зарядки Li-ion батареи быстрее деградируют.

Тепловыделение, образование токсичных газов, вибрации и шумы при работе. Аккумуляторы остаются прохладными в процессе разряда, работают тихо, без вибраций и выделения газов. При работе ДВС и крупных топливных элементов приходится использовать компрессоры и охлаждающие вентиляторы, организовывать воздухозаборники и отвод токсичных газов.
КПД. По этому критерию выигрывают аккумуляторные элементы. В частности, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы имеют эффективность заряда 99% и минимальные потери в процессе разряда. Энергоэффективность топливных элементов находится в диапазоне 20–60%, а у ДВС – 25–30%. При идеальных условиях двигатель GE90-115 на самолете Boeing 777 имеет энергоэффективность до 37%.

Требования по установке. Герметичные аккумуляторы и батареи работают в любом положении, не боятся вибраций и ударов. Для львиной доли ДВС требуется вертикальная установка на амортизаторах, уменьшающих вибрации. Для работы тепловых двигателей требуется впускной коллектор и глушитель выхлопа.
Расходы при эксплуатации. Литиевые, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы оптимально подходят для использования в портативных устройствах. Свинцово-кислотные модели экономичны для стационарного применения и питания автомобильных двигателей. Для электровелосипедов и остальных типов персонального электротранспорта рационально использовать АКБ на основе лития – Li-ion, LiFePO4.
Для больших транспортных средств установка АКБ считается нецелесообразной. Стоимость энергии, получаемой от аккумуляторной батареи (с учетом затрат на покупку и зарядку АКБ), примерно втрое выше, чем от электросети.
Техническое обслуживание и простота использования. Обслуживаемые свинцовые аккумуляторы требуют регулярного замера уровня электролита и доливки, а заряжать их нужно в отдельном помещении с хорошей вентиляцией. Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют выраженный эффект памяти, поэтому перед каждой последующей зарядкой их нужно полностью разряжать. Остальные АКБ предельно просты в использовании – особое техобслуживание им не нужно, достаточно соблюдать рекомендации по эксплуатации, периодически проверять работоспособность и своевременно ставить разрядившиеся элементы на зарядку.
Срок службы. У аккумуляторов он сравнительно невысок и зависит от типа используемой химии. Циклический ресурс в среднем составляет 500–1000 циклов, у литий-железо-фосфатных АКБ – более 2000. Но даже если элементы не используются, они медленно деградируют, и запас их емкости постепенно уменьшается. Средний срок службы АКБ составляет 3–5 лет, батарей для гибридных и электромобилей – 8–10 лет, а больших стационарных АКБ – 5–20 лет. В частности, проточные редокс-аккумуляторы, которые ориентированы на промышленное использование в ИБП, ветровой и солнечной энергетике, имеют циклический ресурс более 10 000 циклов и срок службы 10–20 лет.
Диапазон температур. В зависимости от химического состава аккумуляторы имеют определенный диапазон оптимальных рабочих температур. При более низких температурах у них замедляется электрохимическая реакция, а при высоких из-за дополнительного напряжения происходит ускоренное старение. С топливными элементами ситуация аналогична, но ДВС хорошо прогреваются. Заряжать аккумуляторы можно только при плюсовых температурах. Для стандартных условий использования оптимально подходят Li-ion и NiMH элементы. Специфический температурный режим имеют, в частности, натрий-серные аккумуляторы – их рабочая температура 300–350 °С.
Особенности утилизации. Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые АКБ из-за содержания опасных материалов требуют специальной утилизации. Литиевые и NiMH системы не наносят вреда окружающей среде, хотя их также рекомендуется сдавать на утилизацию специализированным компаниям.

Выводы

Аккумуляторы и батареи выигрывают у остальных источников питания по уровню готовности к использованию, эффективности доставки энергии, диапазону допустимых нагрузок, простоте установки и эксплуатации. Но АКБ уступают ископаемому топливу по удельной энергоемкости стоимости получаемой энергии, имеют ограниченный срок службы и требуют несколько часов для восполнения заряда.

Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec о нюансах эксплуатации LiFePO4 аккумуляторов.

2020-05-11

Комментарии: 0

Просмотры: 1516

Комментарии

Четырехкратный выигрыш в емкости аккумулятора – Наука

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН совместно с коллегами из Московского института электронной техники создали нановолокнистый анод из германия для литий-ионной батареи.

Удельная емкость электрода составляет 1,3 Ач/г.

Фото: patrick / unsplash.com

В обычных литий-ионных аккумуляторах отрицательные электроды (аноды) изготавливают из углеродных (графитоподобных) материалов. Предельная емкость графитного электрода составляет 0,37 Ач/г, в три с лишним раза меньше, чем у германиевого.

Энергоемкость материала определяется количеством лития, которое может запасти активный материал аккумулятора. Графит способен внедрять в себя не более одного атома лития на шесть атомов углерода, а германий — до 22 атомов лития на пять атомов германия. Рассчитанная теоретически предельная емкость германия составляет, таким образом, 1,62 Ач/г — в 4,4 раза больше, чем у графита.

Казалось бы, замените графит на германий и получите заметный выигрыш в удельной энергии аккумулятора, ведь размер отрицательного электрода при неизменной емкости станет в 4,4 раза меньше! Однако природа не терпит простых решений.

Поскольку плотность лития во много раз меньше плотности германия (0,5 г/куб. см против 5,46 г/куб. см), при внедрении лития в германий происходит сильное увеличение объема, то есть германий буквально распирает вошедшим в него литием, что приводит к разрушению (искрошиванию) электрода. Этой беды можно избежать, если использовать германий в виде нанообъектов, в частности в виде нановолокон. Распирающей силы лития, вошедшего в волокно диаметром всего 20–50 нм, не хватит, чтобы это волокно разрушить.

Германиевый анод

Для производства нановолокон ученые ИФХЭ РАН и МИЭТ использовали метод электрохимического (гальванического) осаждения из водного раствора при комнатной температуре. Наночастицы германия осаждали на титановые подложки-тоководы размером 2 на 3 см и толщиной 50 мкм, на которые были нанесены точки (микродиски) из индия. При последующем гальваническом осаждении германий охотнее осаждается именно на этих микродисках, потому что при этом выигрывается энергия образования сплава индий-германий.

Далее осадок германия растет в виде стержня с диаметром, равным диаметру индиевого микродиска.

Изготовленные таким образом электроды показали очень обнадеживающие характеристики, открывающие дорогу в серьезное производство. При комнатной температуре, средней нагрузке, стандартном времени заряда (когда аккумулятор полностью заряжается за 15 мин.) германий-содержащие электроды показали удельную емкость около 1,3 Ач/г, или 80% теоретически возможной. При форсированном режиме эксплуатации (полный заряд за 2,5 мин.) удельная емкость держалась на уровне 0,84 Ач/г (половина от предельной). Наконец, при охлаждении до температуры –50° С электроды показали удельную емкость 0,25 Ач/г. Графитовые электроды при таких температурах вообще не способны к работе.

Литий-ионные аккумуляторы появились в 1990-х годах и были тогда по-настоящему прорывной технологией: в одном литий-ионном аккумуляторе запасено столько же энергии, сколько в трех никель-кадмиевых аккумуляторах такого же размера и веса.

Благодаря литий-ионным аккумуляторам стало возможным создание портативной электронной аппаратуры, включая мобильную связь. Все современные айфоны и смартфоны, все ноутбуки и планшеты, весь портативный беспроводной инструмент (от столярного до парикмахерского и от медицинского до спортивного) питаются от литий-ионных аккумуляторов. А в последнее время масштаб производства и применения литий-ионных аккумуляторов вырос настолько, что реальностью стали электромобили.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН продолжают совершенствование литий-ионных аккумуляторов, однако научный интерес уже перемещается в сторону постлитиевых систем, то есть к аккумуляторам, которые придут на смену литий-ионным,— натрий-ионным и литий-серным.

Исследования проведены по проекту Российского научного фонда №20-79-10312.

По материалам: High-rate and low-temperature performance of germanium nanowires anode for lithium-ion batteries. I.M. Gavrilin, Yu.O. Kudryashova , A. A. Kuz’mina , T.L. Kulova , A.M. Skundin, V.V. Emets, R.L. Volkov, A.A. Dronov, N.I. Borgardt , S.A. Gavrilov. Journal of Electroanalytical Chemistry 888 (2021) 115209

Материал подготовил доктор химических наук, профессор Александр Скундин, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН

Разница между емкостью и энергией

22 декабря 2021 г.

В чем разница между мощностью и энергией?

22 декабря 2021 г.

Хотя мы используем слово «емкость» в повседневных разговорах, оно имеет особое значение для специалистов по батареям, что может повлиять на наше понимание производительности батареи. Проще говоря, емкость батареи описывает, сколько электронов она может хранить для последующего использования.

Емкость аккумулятора не не говорит вам о количестве энергии, которую он хранит, или о запасе хода, который он может обеспечить. Даже при хорошей емкости невозможно узнать, сколько энергии хранит батарея, не зная напряжения . Это связано с тем, что более высокое напряжение будет поставлять больше энергии для данной емкости. Математика проста:

Энергия (Ватт-часы) = Емкость (А-часы) x Напряжение (Вольты) среднее напряжение 3,7 вольта, общее энергия , хранящаяся в этой батарее, составляет 11,1 ватт-часа — 3 ампер-часа (емкость) x 3,7 вольта (напряжение) = 11,1 ватт-часа (энергия). Этого примерно достаточно для питания смартфона в течение дня[1]; тысячи таких батарей составляют аккумуляторную батарею электромобиля.

На этой диаграмме представлена аналогия, иллюстрирующая разницу между емкостью и энергией. Емкость представлена количеством воды на вершине холма, а напряжение — его высотой. Энергия извлекается мельницей у подножия холма. Чтобы узнать, сколько энергии сможет использовать мельница, вам нужно знать как высоту, так и количество воды. В батареях принцип тот же; напряжение оказывает такое же влияние на энергию батареи, как и ее емкость.

Срок службы: Энергия или емкость?

Запас хода электромобилей может уменьшиться после многих циклов зарядки (этот эффект измеряется как циклов жизни ). Это исчезновение может быть вызвано такими факторами, как многократная быстрая зарядка или экстремальные температуры. Вот почему QuantumScape подвергает свои батареи испытаниям в течение многих сотен циклов с высокой скоростью зарядки и типичными условиями эксплуатации.

Таким образом, для прогнозирования полезного срока службы батареи необходимо понимать, как батарея теряет способность накапливать энергию с течением времени (или многих циклов). Вот почему в QuantumScape мы всегда сообщаем о сохранение энергии разряда в наших тестах на долговечность. Это мера того, сколько энергии батарея может отдать за каждый цикл, и в нашей батарее она исчезает очень медленно: после 800 циклов наша батарея все еще может отдавать более 80% исходного количества энергии.

Когда испытания на срок службы включают только сохранение емкости, а не сохранение энергии, это говорит только о половине истории. Не зная также, как меняется напряжение с течением времени, невозможно определить разницу между батареей, которая может работать сотни циклов, и батареей, которая станет практически бесполезной всего через несколько десятков.

Это важно, потому что ускорение революции электромобилей требует новых аккумуляторов, которые могут обеспечить улучшенную производительность для водителей, а также выдерживать многолетние циклы зарядки. Аккумулятор, который может накапливать больше энергии в электромобиле, бесполезен, если эта энергия быстро истощается в течение нескольких месяцев, а аккумулятор, который может быстро заряжаться, бесполезен, если быстрая зарядка ставит под угрозу срок службы и ценность автомобиля. Итак, в следующий раз, когда вы увидите отчет батареи о сроке службы, обязательно проверьте, является ли это фактической энергией или просто емкостью. Если сообщается только емкость, у вас нет всего, что вам нужно, чтобы понять, как эта батарея со временем будет изнашиваться в реальном электромобиле.

[1] https://www.androidauthority.com/smartphone-battery-capacity-887305/

Прогнозные заявления

Эта статья содержит прогнозные заявления в соответствии с федеральными законами о ценных бумагах и информация, основанная на текущих ожиданиях руководства на дату настоящего отчета. Все заявления, кроме заявлений об исторических фактах, содержащиеся в этой статье, в том числе заявления о будущем развитии аккумуляторной технологии QuantumScape, ожидаемых преимуществах технологий QuantumScape и производительности ее аккумуляторов, а также о планах и целях будущих операций, являются заявлениями прогнозного характера. . При использовании в настоящем отчете слова «может», «будет», «оценивать», «проформа», «ожидать», «планировать», «полагать», «потенциальный», «предсказывать», «целевой», «должен», «был бы», «мог бы», «продолжать», «полагать», «предполагать», «намереваться», «предвидеть» отрицание таких терминов и другие подобные выражения предназначены для обозначения прогнозных заявлений, хотя не все прогнозные заявления содержат такие идентифицирующие слова.

Эти прогнозные заявления основаны на текущих ожиданиях, предположениях, надеждах, убеждениях, намерениях и стратегиях руководства в отношении будущих событий и основаны на имеющейся в настоящее время информации об исходе и сроках будущих событий. Эти прогнозные заявления сопряжены со значительными рисками и неопределенностями, которые могут привести к существенному отличию фактических результатов от ожидаемых. Многие из этих факторов находятся вне контроля QuantumScape, и их трудно предсказать. QuantumScape предупреждает читателей, чтобы они не слишком полагались на какие-либо прогнозные заявления, которые действительны только на дату их публикации. Если иное не требуется применимым законодательством, QuantumScape отказывается от каких-либо обязательств по обновлению любых прогнозных заявлений. Если лежащие в основе предположения окажутся неверными, фактические результаты и прогнозы могут существенно отличаться от выраженных в каких-либо прогнозных заявлениях. Дополнительную информацию об этих и других факторах, которые могут существенно повлиять на фактические результаты QuantumScape, можно найти в периодических заявках QuantumScape в SEC. Заявки QuantumScape в SEC находятся в открытом доступе на веб-сайте SEC по адресу www.sec. gov.

Доля на

Продолжить чтение

Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте

14 сентября 2022 г.

Технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape обеспечивается запатентованным керамическим твердоэлектролитным сепаратором.

ПОДРОБНЕЕ

Преимущества литий-металлических анодов

19 мая 2022 г.

Перезаряжаемые литий-металлические батареи десятилетиями были предметом интенсивных исследований, и сегодня они как никогда близки к выходу на рынок.

ПОДРОБНЕЕ

Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте

14 сентября 2022 г.

ПОДРОБНЕЕ

Преимущества литий-металлических анодов

19 мая 2022 г.

ПОДРОБНЕЕ

АККУМУЛЯТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

РЕСУРСЫ

НОВОСТНАЯ

БЛОГ QS

КАРЬЕРА

Политика конфиденциальности | Условия использования
© Корпорация QuantumScape, 2022 г.
1730 Technology Drive, San Jose, CA 95110
[email protected]

Твиттер Линкедин YouTube

ПАМЕЛА ФОНГ

Начальник отдела по работе с персоналом

Памела Фонг — руководитель отдела по работе с персоналом компании QuantumScape, руководящая стратегией и операциями с персоналом, включая привлечение талантов, организационное развитие и вовлечение сотрудников. До прихода в компанию г-жа Фонг занимала должность вице-президента по глобальным кадровым ресурсам в PDF Solutions (NASDAQ: PDFS), компании SAAS, специализирующейся на полупроводниках. До этого она занимала несколько руководящих должностей в отделе кадров в Foxconn Interconnect Technology, Inc., многонациональном производителе электроники, и NUMMI, совместном предприятии Toyota и General Motors по производству автомобилей. Мисс Фонг имеет степень бакалавра наук. в области делового администрирования от UC Беркли и М.С. по менеджменту Стэнфордской высшей школы бизнеса.

Мощность и мощность | Все о батареях

Сохранить Подписаться

Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.

После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.

Поскольку это особенно запутанная часть измерения батарей, я собираюсь обсудить ее более подробно.

Мощность – это количество энергии, запасенное в аккумуляторе. Эта мощность часто выражается в ватт-часах (символ Втч ). Ватт-час — это напряжение (В), которое обеспечивает батарея, умноженное на то, сколько тока (Ампер) батарея может обеспечить в течение некоторого времени (обычно в часах). Напряжение * Ампер * час = Втч. Поскольку напряжение в значительной степени фиксировано для типа батареи из-за ее внутреннего химического состава (щелочной, литий, свинцово-кислотный и т. д.), часто сбоку печатается только измерение ампер*час, выраженное в Ач или мАч (1000 мАч = 1 Ач). Чтобы получить Втч, умножьте Ач на номинальное напряжение. Например, допустим, у нас есть батарея номиналом 3 В с емкостью 1 ампер-час, поэтому ее емкость составляет 3 Втч. 1 Ач означает, что теоретически мы можем потреблять 1 А тока в течение одного часа, или 0,1 А в течение 10 часов, или 0,01 А (также известный как 10 мА) в течение 100 часов.

Однако количество тока, которое мы действительно можем потреблять (мощность , мощность ) от батареи часто ограничено. Например, монетоприемник с рейтингом на 1 Ач на самом деле не может обеспечить 1 Ампер тока в течение часа, на самом деле он не может обеспечить даже 0,1 ампер, не перенапрягая себя. Это как говоря, что человек может путешествовать до 30 миль: конечно Пробежать 30 миль — это совсем не то, что пройти пешком! Аналогично, монета 1 Ач у ячейки нет проблем с обеспечением 1 мА в течение 1000 часов, но если вы попытаетесь вытяните из него 100 мА, он проработает намного меньше 10 часов.

Например, на этом изображении ячейка типа «таблетка» может управлять резистором 3,9 кОм и обеспечивать 230 мАч (именно на это она рассчитана) перед тем, как упасть до 2 В, но если это резистор 1 кОм, она обеспечит только 125 мАч (изображение с http ://biz.maxell.com/en/product_primary/?pci=9&pn=pb0002)

Мощность мощность измеряется в C . C — это емкость в ампер-часах, деленная на 1 час. Таким образом, C батареи емкостью 2 Ач составляет 2 А. Количество тока, которое батарея «любит» потреблять от нее, измеряется в С . Чем выше C , тем больший ток вы можете получить от батареи, не разряжая ее преждевременно. Свинцово-кислотные батареи могут иметь очень высокие значения C (10 C или выше), а литиевые батарейки типа «таблетка» — очень низкие (0,01 C )

Как измеряются батареи Свинцово-кислотные аккумуляторы

Это руководство было впервые опубликовано 16 февраля 2013 года.