Современные аккумуляторы: Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

Содержание

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.

Создан аккумулятор будущего: долгоиграющий, взрывобезопасный и без лития

, Текст: Эльяс Касми

Американские исследователи заменили литий в батареях на особый материал на основе магния, и получили более надежные и долговечные аккумуляторы. В будущем их разработка может лечь в основу всех перезаряжаемых батарей.

Хаос на страже электрического заряда

Ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.Эту идею до них никто не развивал, поскольку неупорядоченные (или беспорядочные, движущиеся хаотично) частицы теоретически и практически могут стать препятствием при производстве и эксплуатации элементов питания.

Несмотря на то, ранее технология нигде и никем не применялась, американские ученые уже добились определенных успехов в выбранном направлении. К главным преимуществам магниевых АКБ авторы технологии отнесли их повышенную безопасность в сравнении с литиевыми батареями, а также способность гораздо дольше держать заряд.

По словам исследователей, если литий-ионные аккумуляторы уже достаточно давно достигли пика своего развития, то магниевые лишь только начинают свой путь, имея в запасе внушительный потенциал.

Суть и потенциал технологии

В аккумуляторе, созданном учеными Иллинойского университета, используется созданный ими на основе оксида магния и хрома (MgCr2O4) неупорядоченный материал толщиной порядка 5 нанометров. Его характеризует в первую очередь низкая температура реакции при высокой скорости этой самой реакции. На практике это даст возможность не опасаться перегрева аккумулятора в мобильном устройстве в жаркий летний день или в процессе подзарядки. Литий-ионные батареи, отметим, очень чувствительны к изменению температуры и могут воспламениться и даже взорваться прямо в руках у владельца смартфона.

Преследуя цель убедиться в своей правоте, ученые провели сравнительный эксперимент, в ходе которого сопоставили 5-нанометрвоый неупорядоченный материал с 7-нанометровым упорядоченным оксидом магния и хрома. Оба материала подвергались различным испытаниям и тестам, включая рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и современные электрохимические методы тестирования.

Тестирование первой в мире батареи на неупорядоченных частицах оксида магния в лабораторных условиях

Специалисты исследовали структурные и химические изменения в материалах в процессе их тестирования и увидели, что они ведут себя совершенно по-разному. Неупорядоченные частицы оксида магния могут перетекать от анода к катоду, тогда как упорядоченные – нет. На основе полученных результатов ученые сделали вывод о пригодности их новой технологии для создания нового вида аккумуляторных батарей. По состоянию на декабрь 2018 г. технология требовала доработки и не могла быть использована в серийном производстве.

Магний лучше лития, никеля и кадмия?

О применении магния в перезаряжаемых элементах питания специалисты стали задумываться еще в начале века, даже когда литиевые батареи еще не получили столь широкого распространения. В 2003 г. израильские ученые из университета в Рамат-Гане даже разработали прототип нового магниевого аккумулятора, который практически не уступал по своим энергетическим свойствам популярным тогда никель-кадмиевым АКБ. Он тоже выдавал напряжение до 1,2 В, но при этом характеризовался меньшей степенью деградации спустя несколько сотен циклов зарядки и разрядки и в целом был намного более экологичным. В серию аккумуляторы, выполненные по израильской технологии, не пошли.

Конкурирующие разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые АКБ и положить конец их далеко не самым экологичным производству и утилизации. К примеру, еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.

Медицинский ум: чем может помочь искусственный интеллект здравоохранению

Искусственный интеллект

В целом, многие страны сейчас ищут замену не самым дешевым в производстве литий-ионным АКБ. К примеру, Китай отдал предпочтение аккумуляторам на твердых электролитах – такие батареи надежнее, безопаснее и производительнее литиевых. Их также характеризует сравнительно малый вес, что позволит уменьшить массу мобильных устройств. Твердотельные аккумуляторы имеют большой потенциал в автомобилестроении – при идентичной емкости они компактнее литиевых, что позволит увеличить запас хода гибридных и электрических транспортных средств без прироста их массы.



Samsung создала вдвое более емкий аккумулятор чем современные модели

РынокТехнологии

Николай Блинков | 24.03.2020

Samsung разработала аккумулятор нового типа Li-Me – литий-металлического типа. Его скорее можно считать модификацией, чем Li-Ion-аккумулятором. Литий-металлический аккумулятор может иметь жидкий электролит, и позволяет запасти больше энергии.

Разработка предназначена прежде всего для электромобилей. Помимо них, Li-Me-аккумулятор также будет востребован для беспилотных летательных аппаратов и для интернет-провайдеров, ведущих подачу Интернета в сельскую местность.

Существует два варианта по типу электролита: с жидким и твердым электролитом. Жидкий вариант дает повышенную плотность запасаемой энергии, а твердый – по долговечности. Но даже в жидком варианте именно долговечность стала главной особенностью новой батареи.

Помог этому композитный слой серебра и углерода толщиной в 5 микрон, который позволил исследователям из Samsung уменьшить размер анода и решить проблему возникновения дендритов – иглоподобных кристаллов, которые нарастали на аноде и нарушают работоспособность батареи.

Удельная электроемкость батареи составляет 900 Вт*ч; а размер одной ячейки на 50% меньше, чем у литий-ионной батареи аналогичного объёма. При этом ячейка рассчитана на 1000 циклов заряда-разряда. Также, Samsung создал экспериментальный образец, который, по заверению производителя, обеспечивает электромобиль энергией для прохождения 800 км без подзарядки, что в два раза больше чем в современных автомобилях.

Низкая эффективность литий-ионных батарей является главным их недостатком при применении в электромобилях. Другим недостатком является их большой вес, высокая цена и не очень высокая эффективность. Большие, тяжёлые, дорогие и не очень эффективные литий-ионные батареи остаются одним из главных факторов, сдерживающих распространение электромобилей и необходимой инфраструктуры. Для примера, батарея Tesla Model S на 85 кВт*ч позволяет пройти около 270 километров на одном заряде и весит 480 килограмм. Этот вес составляет около четверти массы всего автомобиля.

В Samsung считают, что новый тип аккумуляторов позволит улучшить автономность электрических автомобилей, и сделать их популярнее, так как при том же объёме батарейного отсека машина сможет преодолевать большие расстояния на одном заряде. Не секретом является и то, что заветной мечтой автопроизводителей является полный отказ от топливных двигателей и переход их к электромобилям. Эта мера позволит спасти Землю от глобального потепления и резко снизить объемы вредных выбросов.

Информацию о сроках появления твердотельных аккумуляторов на рынке Samsung не раскрывает, но на это может уйти до нескольких лет.

Samsung Вендоры Аккумуляторные батареи

Журнал: Журнал IT-News [№ 04/2020], Подписка на журналы

QuantumScape заявил о революции в производстве аккумуляторов

Американская компания QuantumScape представила результаты тестирования новой ячейки для аккумуляторной батареи электромобиля. Главные особенности разработки таковы: во-первых, зарядка до 80% емкости за 15 мин, что почти вдвое быстрее, чем у литий-ионной батареи электромобиля Tesla Model 3, одной из лидеров по этому показателю.

Во-вторых, сохранение свыше 80% емкости после 800 циклов заряда и разряда, что говорит о потенциальном сроке службы батареи в несколько сотен тысяч километров (Tesla дает гарантию до 240 000 км). И в-третьих, объемная плотность энергии в 1000 Вт ч/л, что примерно на 80% больше, чем у самых современных литий-ионных ячеек. Это значит, что и емкость батареи будет соответствующей, а по запасу хода электромобили на таких батареях сравняются с автомобилями с ДВС. Что не менее важно, ячейка сохраняет свои характеристики до температур около -30 градусов по Цельсию, в то время как литий-ионные батареи демонстрируют снижение показателей в таких условиях. Да, и новая батарея не воспламеняется.

Ячейка QuantumScape построена по технологии твердотельных батарей: в них используется твердый электролит, а не жидкий, как в наиболее часто используемых сегодня литий-ионных батареях. Твердотельные батареи уже несколько десятков лет считаются одной из самых перспективных технологий, однако нерешенные технические проблемы пока не позволяли исследователям говорить о коммерческих перспективах.

Калифорнийский стартап QuantumScape был основан в 2010 г. профессором Стэнфордского университета Фрицем Принцем и выпускником этого университета Джагдипом Сингхом. С 2012 г. компания начала работать с Volkswagen, а в 2018 г. немецкий автогигант вложил в стартап $100 млн, став крупнейшим акционером. В том же году представители обеих компаний заявили, что начинают подготовку к массовому производству твердотельных батарей. В июне 2020 г. Volkswagen инвестировал в QuantumScape еще $200 млн. В ноябре 2020 г. QuantumScape провела IPO на Нью-Йоркской бирже путем слияния с уже вышедшей на биржу специализированной компанией для поглощений (SPAC). Сделка помогла стартапу привлечь еще $700 млн, которые будут направлены на организацию производства, а котировки акций компании с тех пор выросли уже втрое до уровня в $75 за акцию. По словам представителей QuantumScape и Volkswagen, производство начнется в 2025 г.

Ячейку QuantumScape отличает ряд особенностей. Для формирования анода ей не требуется даже минимальное количество лития, что удешевляет процесс производства. Кроме того, в ячейке используется особый тончайший керамический сепаратор, который разделяет электроды. На его разработку компании потребовалось пять лет, и точное описание материалов, используемых для его изготовления, является главной коммерческой тайной компании. А основной задачей QuantumScape теперь будет создание многослойных ячеек и составление из них целой аккумуляторной батареи. Как отмечают специалисты, эта задача не так проста, как может показаться, поэтому компания еще может столкнуться со сложностями, которые могут привести к сдвигу заявленных сроков начала производства и даже к полной неудаче проекта.

QuantumScape и Volkswagen не единственные компании, которые проводят исследования в этой области. Японский автопроизводитель Toyota ранее заявлял о планах наладить выпуск электромобилей с твердотельными аккумуляторными батареями к 2025 г. Другой американский стартап, Solid Power, основанный шесть лет назад, заручился поддержкой таких автокомпаний, как BMW, Ford и Hyundai, и рассчитывает запустить производство в 2026 г. Однако до демонстрации работающего аккумулятора дело пока не дошло ни у кого.

Современные типы литиевых батарей и их использование

С момента изобретения аккумуляторных батарей литиевого типа, они снискали огромную популярность в мире. Практичные, износоустойчивые, рассчитанные на длительный период эксплуатации, эти элементы питания с успехом поддерживают работоспособность не только различной электроники, но и большинства современных индивидуальных транспортных средств с электродвигателями: от складных электровелосипедов и самокатов до гироскутеров, моноколес и сигвеев. Постепенно их берут на вооружение и автомобилестроительные компании, создающие более габаритную технику.

Способствует росту спроса на эту продукцию и тот факт, что в мире постоянно создаются новые виды Li-ion аккумуляторов, возникают более совершенные конструкции, а инженеры постоянно бьются над решением проблемы изобретения долговечной, легкой, экономно расходующей заряд и, в то же время, достаточно мощной батареи.

Самый популярный формат мощного литиевого аккумулятора – литий-ионные. Они поставляются на рынок с разным объемом, с разными токами разряда. Чтобы добиться изменения характеристик батареи, производители прибегают к различным манипуляциям. Например, наращивают слой электродной массы на фольге, чтобы увеличить удельные показатели устройства. Также с этой целью могут корректироваться толщина электрода или сепаратора,

изменяться размеры элементов в составе активной массы, выбираться разные материалы для производства электродов.

Традиционно, те из Li-батарей, которые рассчитаны на работу со стартерами, выполняются с максимальной мощностью, в то время как элементы питания мобильных девайсов и всевозможной электроники делаются с упором на большую емкость.

Типы литиевых батарей

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

  • Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
  • Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой 

    мощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобальтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.

  • Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ - хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
  • АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
  • Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.
  • Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур - главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания. Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2. Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

В зависимости от конструкции электрода выделяют рулонные системы (скрученные вокруг пластины) и цилиндрические, составленные из набора элементов (традиционная основа призматических батарей). Рулоны просто собирать, но они максимально эффективны только там, где требуются малая емкость и мощность.

Цилиндрические батарейки оснащаются винтовыми борнами или стандартными контактными площадками (в качестве токовыводов). Среди мелкогабаритных наиболее распространены форматы аккумуляторов Li-ion 18650, напоминающие обычные пальчиковые батарейки.

В зависимости от конструкции корпуса различают цилиндрические, призматические устройства, а также оснащенные фольговой оболочкой.

  • Цилиндрический корпус выгоден за счет того, что он обеспечивает минимальное изменение объема элемента питания в ходе его продолжительного использования. Электроды в таких АКБ всего представлены в виде рулонов.

  • Призматические системы могут снабжаться винтовыми борнами или контактными площадками под лепестки. Их очень часто задействуют при сборке электротранспорта, особенно – на заводах компаний азиатского региона.
  • Ламинированная фольга в качестве корпуса стала популярна после широкого распространения литий-полимерных АКБ. В них применяется особый электролит на полимерах с гелем и ионами лития. Это мягкий и гибкий материал, который мало весит и его удобно запаивать в фольгу. Токовыводы у таких аккумуляторов могут быть как на одной стороне, так и на разных.

В зависимости от конкретных задач, которые ставятся перед аккумуляторами, они могут принимать различные формы. Например, для электровелосипедов часто закупается литий ионный аккумулятор тип бутылка – его удобно монтировать на двухколесном транспортном средстве, встраивать в раму.

Размеры литий ионных батарей

Для определения формата аккумулятора литий-ион была разработана универсальная система маркировки АКБ. Каждый элемент питания, попадающий на рынок, обозначается буквенно-циферной комбинацией, в которую закладываются данные о его габаритах, составе, форме. Читать маркировку цилиндрических батарей следует таким образом:

  1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
  2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
  3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).
Существует множество типоразмеров АКБ формы цилиндр: от небольших 10180 (диаметр – 10 мм, длина – 18 мм) и 10280 (диаметр – 10 мм, длина – 28 мм) до габаритных 32650 (диаметр – 32 мм, длина – 65 мм), 42120 (диаметр – 42 мм, длина – 12 мм).

Обозначение аккумуляторов класса; таблетка несколько иное. На их тип указывают буквы CR, вводимые в начале маркировки, далее следует две цифры – ссылка на диаметр в миллиметрах и еще две последующие – высота изделия (в десятых долях миллиметров).

Для нужд отрасли и упрощения подбора аккумуляторов производителями и покупателями были разработаны специальные сводные таблицы типоразмеров. Заглядывая в них можно увидеть тип, маркировку каждого аккумулятора и схожие с ним типоразмеры. Читая данные таблицы, стоит, однако, принимать во внимание, что указанные в них параметры только примерно отражают характеристики изделий. Например, толщина защитной платы может быть 3 миллиметра, а наружное покрытие значительно больше, чем на стандартных батарейках.

Дополнительно в маркировках производители часто указывают химические элементы, входящие в состав аккумуляторных батарей. Например, согласно общепринятому стандарту, ICR является обозначением кобальта, NCR – никеля и кобальта, IMR – марганца, INR – никеля и марганца.

Например, значение IMR22650, обнаруживаемое на батарейке, указывает на цилиндрическую перезаряжаемую батарею, выполненную на базе марганца, имеющую диаметр 22 миллиметра, а длину – 65 миллиметров.

Если тема литий-ионных АКБ и их разновидностей заинтересовала вас, рекомендуем посмотреть видео, посвященное сравнению видов различных исполнений аккумуляторов:

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Аккумуляторы AGM дёшево - для современных автомобилей и мототехники

Аккумуляторы AGM - самые современные и мощные аккумуляторные батареи

Подбор аккумулятора по параметрам


производители Аккумуляторы в наличии

Аккумуляторы AGM для особо требовательных автомобилей и мотоциклов

Автомобильные и мотоциклетные аккумуляторы, выпускаемые по технологии AGM, на сегодня являются самым прогрессивным технологическим решением среди свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Зачастую аккумуляторы AGM называют гелевыми, но это неправильно. С чем связано такое ошибочное наименование, сказать трудно, но иногда возникает путаница – покупатель спрашивает «гелевый аккумулятор», а в ходе дальнейшей беседы выясняется, что на самом деле ему нужен аккумулятор AGM.

В этих аккумуляторах электролит жидкий, как и в обычных свинцово-кислотных батареях, но в свободном виде он отсутствует. Весь имеющийся в этих аккумуляторах электролит пропитывает специальные конверты из пористого стекловолокна, в которые упакованы пластины электродов. Благодаря такому подходу многократно усиливается защита покрывающего пластины активного вещества от осыпания, а опасность вытекания электролита практически исключена даже при механическом повреждении корпуса. Собственно, AGM так и расшифровывается – Absorbent Glass Mat (абсорбирующий, т.е. впитывающий, стекломатериал).

Основные преимущества AGM аккумуляторов

Аккумуляторы AGM выдают очень высокие пусковые токи, причем сохраняют равномерность пускового тока вплоть до полного разряда батареи. Глубокие разряды аккумуляторы выдерживают очень хорошо, а после зарядки их емкость быстро и уверенно восстанавливается до номинального значения.

Очень высока устойчивость аккумуляторов AGM к воздействию ударных и вибрационных нагрузок. Кроме того, благодаря отсутствию текучести электролита эти аккумуляторы могут работать не только в вертикальном положении, но при очень сильных наклонах. Эти два свойства аккумуляторов AGM особенно важны при движении вне дорог, в том числе по сильно пересеченной местности. Но больше всего эти качества подходят для использования таких батарей на мотоциклах. Большинство мотоциклетных аккумуляторов производится сегодня именно по данной технологии.

Полное исключение риска протечки электролита и его паров позволяет без проблем использовать аккумуляторы AGM на автомобилях, компоновка которых предусматривает установку аккумулятора в салоне.

При исправной работе бортового электрооборудования аккумуляторы AGM отличаются исключительно длительным сроком работы – до десяти лет в нормальных условиях эксплуатации. А если измерять срок службы аккумулятора в количестве циклов заряда-разряда, которое батарея способна выдержать до выхода из строя, то такое количество циклов у таких аккумуляторов в три-три с половиной раза выше, чем у обычных.

Аккумуляторы AGM идеально подходят для автомобилей с расширенной версией системы Start-Stop, предусматривающей рекуперативное торможение.

Недостатки AGM аккумуляторов

Однако не надо считать, что аккумуляторы AGM состоят из одних достоинств. Недостатков тоже хватает. Например, для зарядки таких аккумуляторов необходимы специальные зарядные устройства, предназначенные именно для AGM батарей, или имеющие специальную опцию. То есть такое зарядное устройство придется покупать вместе с аккумулятором.

AGM-аккумуляторы очень чувствительны к исправности и равномерности напряжения автомобильного электрооборудования. Выход из строя реле-регулятора быстро приводит к полному прекращению работы аккумулятора и невозможности его восстановления. Если аккумулятор AGM установлен в заводской комплектации автомобиля, то менять его допустимо только и исключительно на AGM-батарею, других вариантов просто нет.

Но самая неприятная для наших условий особенность этих аккумуляторов – резкое, почти на 50%, падение стартовых характеристик при сильных морозах из-за застывания связанного электролита.

Если Вы собираетесь купить аккумулятор AGM, имейте в виду: такие аккумуляторы наилучшим образом подходят для дорогих иномарок с большим количеством разнообразного электрооборудования. Да и цена у них весьма высока. Строго говоря, батареи AGM – дорогие качественные аккумуляторы для дорогих качественных автомобилей. Впрочем, длительная работа аккумулятора и комфорт во время поездок полностью окупят затраты на покупку такой батареи.

Приобрести аккумулятор AGM Вы всегда сможете в наших магазинах! Закажите на сайте или по телефону – и купите!

Аккумуляторы для ноутбуков – история развития, обзор технологий

Существует несколько основных видов аккумуляторов для ноутбуков, которые традиционно применяются ведущими мировыми производителями. В зависимости от принципа работы аккумулятор для ноутбука может обладать различными характеристиками, например максимальной емкостью и скоростью зарядки, а так же среднему сроку годности и физическим габаритам.

На сегодняшний день большинство фирм, осуществляющих производство ноутбуков используют в своих аккумуляторах элементы нескольких производителей. В основном это такие крупные компании как Panasoniс, Sanyo, LG, Samsung, BAK.

Устройство аккумулятора

Стандартная батарея для ноутбука может состоять из одного или нескольких элементов, которые объединены под одним корпусом. Большинство современных моделей аккумуляторов снабжены дополнительными электронными системами для предотвращения повреждения устройства при неправильной эксплуатации, а так же системами, контролирующими процедуру зарядки и разрядки аккумулятора.

Современные ноутбуки могут функционировать как при питании от сети, так и при его отсутствии. Автоматические системы определяют отключение блока питания и переключают работу ноутбука на питание от встроенного аккумулятора. Многие модели в данном режиме переходят в особый режим, который характеризуется меньшим потреблением энергии и пониженной производительностью. При желании каждый пользователь может отключить данный режим работы ноутбука.

Срок эксплуатации аккумулятора для ноутбука зависит не только от его качества и используемой технологии, но и от особенностей эксплуатации ноутбука и блока питания. Несоответствия в параметрах блока питания и аккумулятора способны в значительной степени повлиять на долговечность вашей аккумуляторной батареи.

Длительность работы вашего ноутбука при автономном питании в первую очередь зависит от емкости аккумуляторной батареи, а так же от степени нагрузки, которой подвергается ноутбук. В среднем современные аккумуляторы способны поддерживать работу ноутбука в течение 3-4 часов чего вполне достаточно для короткой поездки. Если вам необходимо продлить длительность работы ноутбука то можно позаботиться о замене аккумулятора на другую модель, которая при схожих параметрах обладает большей емкостью или же  приобрести внешний аккумулятор.

Виды аккумуляторных батарей

Ni-Cd

Данный тип аккумуляторов сегодня практически не используется, однако подобные модели можно увидеть в старых ноутбуках, которые давно сняты с производства. Также Ni-Cd аккумуляторы широко применяются для питания различного электроинструмента.

К преимуществам подобных аккумуляторов можно отнести низкое внутреннее сопротивление, что позволяет им лучше переносить воздействие большого тока. Помимо этого данные аккумуляторы обладают небольшой стоимостью, хорошей долговечностью и устойчивостью к воздействию высокой температуры.

Недостатком подобных аккумуляторов можно считать их потенциальную токсичность, что вынуждает производителей вводить дополнительные правила по утилизации Ni-Cd аккумуляторов. Кроме того, они обладают невысокой емкостью и подвержены влиянию эффекта памяти.

Ni-MH

Аккумуляторы данного типа являются скорее переходным этапам между кадмиевыми и ионными моделями. Они более распространены, нежели стандартные Ni-Cd аккумуляторы, однако уже прошли пик своей популярности и применяются в бюджетных устройствах.

Металлогидридные аккумуляторы обладают большей емкостью и при этом не настолько токсичны как кадмиевые модели. Благодаря современной конструкции данный вид аккумуляторов обладает меньшими габаритами и не настолько подвержен воздействию эффекта памяти.

К сожалению, металлогидридные модели не стали полной заменой кадмиевых аккумуляторов, поскольку при наличии некоторых преимуществ они обладали достаточно внушительным списком недостатков.

В первую очередь они обладают большей стоимостью и при этом не способны продержаться такое же количество циклов зарядки-разрядки. Аккумуляторы не способны переносить большие показатели зарядного тока и обладают низкой нагрузочной способностью.

Li-ion

Данный вид аккумуляторов является наиболее распространенным и применяется во всех современных моделях мобильных устройств. Основным преимуществом литиевых аккумуляторов, которое обеспечило им победу в соревновании с никелевыми моделями, стал отличный электрохимический потенциал лития и как следствие емкость аккумулятора, превосходящая все предыдущие модели в несколько раз.

Литиевый аккумулятор для ноутбука совершенно не подвержен воздействию эффекта памяти, что позволяет не беспокоиться о полноте циклов заряда-разряда аккумулятора.

Пожалуй, единственными недостатками подобных аккумуляторов является то, что они обладают ограниченным сроком эксплуатации и небольшим диапазоном рабочей температуры.

Li-polymer

Технологический прогресс не стоит на месте и на смену ионным моделям приходит полимерный аккумулятор для ноутбука. Данный вид батареи использует достаточно удобный и перспективный способ накапливания энергии, в котором задействован полимерный электролит в твердом состоянии.

Технология производства полимерных аккумуляторов все еще не доработана, что не позволяет полностью избавиться от жидкого электролита. Однако при условии решении данной проблемы мы можем получить тончайшие аккумуляторные батареи, которые будут использоваться во всех категориях электрических устройств.

Перспективы развития

Двигатель внутреннего сгорания

Одним из наиболее перспективных вариантов развития аккумуляторных технологий является появление батарей в виде небольших двигателей внутреннего сгорания. По оценкам ученых размер подобного двигателя не будет превышать пары кубических сантиметров, а весь аккумулятор будет размером с колоду карт. Мощность подобной батареи будет в несколько раз превышать лучшие из существующих моделей ионных аккумуляторов.

В данный момент единственное, что тормозит планомерный ввод подобных батарей в эксплуатацию, является проблема отвода большого количества тепловой энергии, которая неизбежно будет выделяться в ходе работы двигателя.

Топливный элемент

Батарея для ноутбуков на основе топливных элементов является воплощением современных технологий. Для выработки энергии подобные аккумуляторы будут использовать продукты химической реакции кислорода и водорода. В качестве топлива, скорее всего, будет использоваться метанол, что избавляет владельцев ноутбуков от необходимости подключения устройств к общей сети для подзарядки. Гораздо более простым выходом будет простая замена топлива.

Все права на данный текстовый материал принадлежат ИП Лонский Ю.А. Перепечатка без согласия правообладателя запрещена.

Три аккумуляторных технологии, которые могут обеспечить будущее | Saft аккумуляторы

Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме. Наши стратегии по хранению энергии в настоящее время формируются литий-ионными батареями - передовыми технологиями, - но что мы можем ожидать в ближайшие годы?

Начнем с основ аккумуляторной батареи. Батарея представляет собой блок из одной или нескольких ячеек, каждая из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит.Использование различных химикатов и материалов для них влияет на свойства батареи - сколько энергии она может хранить и выводить, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз она может быть разряжена и перезаряжена (также называемая циклической емкостью).

Производители аккумуляторов постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и мощные химические продукты. Мы поговорили с директором Saft по исследованиям Патриком Бернардом, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с потенциалом преобразования.

ЛИТИЙ-ИОН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

ЧТО ЭТО?

В литий-ионных (Li-ion) батареях накопление и выделение энергии обеспечивается движением ионов лития от положительного к отрицательному электроду назад и вперед через электролит. В этой технологии положительный электрод действует как исходный источник лития, а отрицательный электрод - как хозяин для лития. Несколько химических элементов объединены под названием литий-ионные батареи в результате десятилетий выбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов.Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве настоящих положительных материалов. В качестве отрицательных материалов используются графит, а также оксиды графита / кремния или литированного титана.

Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология с учетом реальных материалов и конструкции элементов достигнет предела энергии. Тем не менее, совсем недавние открытия новых семейств разрушительных активных материалов должны раскрыть существующие ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность.Кроме того, с этими новыми соединениями также принимаются во внимание дефицит и критичность сырья.

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

Сегодня среди всех современных технологий хранения литий-ионные аккумуляторы обеспечивают самый высокий уровень плотности энергии. Такие характеристики, как быстрая зарядка или диапазон рабочих температур (от -50 ° C до 125 ° C), можно точно настроить за счет большого выбора конструкции и химического состава элементов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также способность к циклическим нагрузкам, обычно тысячи циклов зарядки / разрядки.

КОГДА ЭТО МОЖНО ОЖИДАТЬ?

Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто раньше первого поколения твердотельных аккумуляторов. Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морской, железнодорожный, авиационный и внедорожный транспорт), где высокая энергия, высокая мощность и безопасность являются обязательными.

ЛИТИЙ-СЕРНЫЙ

ЧТО ЭТО?

В литий-ионных аккумуляторах ионы лития хранятся в активных материалах, действующих как стабильные структуры хозяина во время заряда и разряда.В литий-серных (Li-S) батареях нет никаких структур-хозяев. Во время разряда литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения; во время зарядки происходит обратный процесс.

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

В батарее Li-S используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

Saft выбрала и отдает предпочтение наиболее перспективной технологии Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и преодолевает основные недостатки Li-S на жидкой основе (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. Д.).

Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные аккумуляторы благодаря своей превосходной гравиметрической плотности энергии (+ 30% в Втч / кг).

КОГДА ЭТО МОЖНО ОЖИДАТЬ?

Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к созданию полномасштабных прототипов.

Ожидается, что для приложений, требующих длительного времени автономной работы, эта технология выйдет на рынок сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ

ЧТО ЭТО?

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологий. В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (также называемый ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития перемещаться внутри него.Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет - благодаря интенсивным исследованиям во всем мире - были обнаружены новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, подобные жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот конкретный технологический барьер.

Сегодня усилия Saft R&D сосредоточены на 2 основных типах материалов: полимеры и неорганические соединения, стремясь к синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

Первое огромное преимущество - заметное повышение безопасности на уровне элементов и батарей: твердые электролиты негорючие при нагревании, в отличие от их жидких аналогов.Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с большой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения за счет снижения саморазряда. Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.

Поскольку батареи могут иметь высокое отношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.

КОГДА ЭТО МОЖНО ОЖИДАТЬ?

По мере продолжения технического прогресса на рынке, вероятно, появятся несколько типов твердотельных батарей.Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем, более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Преимущества и ограничения литий-ионной батареи

В течение многих лет никель-кадмиевый аккумулятор был единственным подходящим аккумулятором для портативного оборудования от беспроводной связи до мобильных компьютеров. В начале 1990-х появились металлогидридные никель-металлогидридные и литий-ионные продукты, ведущие борьбу за признание потребителей.Сегодня литий-ионные аккумуляторы - это наиболее быстро развивающаяся и многообещающая химия для аккумуляторов.

Литий-ионный аккумулятор

Пионерские работы с литиевой батареей начались в 1912 году под руководством Г. Льюиса, но только в начале 1970-х годов, когда в продажу поступили первые неперезаряжаемые литиевые батареи. литий - самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию для веса.

Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи потерпели неудачу из-за проблем с безопасностью.Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно во время зарядки, исследования переключились на неметаллическую литиевую батарею, использующую ионы лития. Хотя литий-ионный аккумулятор немного ниже по плотности энергии, чем металлический литий, он безопасен при соблюдении определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. В 1991 году корпорация Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор. Другие производители последовали их примеру.

Плотность энергии литий-иона обычно вдвое больше, чем у стандартного никель-кадмиевого сплава.Есть потенциал для более высоких плотностей энергии. Нагрузочные характеристики достаточно хорошие и с точки зрения разряда ведут себя так же, как никель-кадмиевые. Высокое напряжение ячеек 3,6 В позволяет создавать аккумуляторные батареи только с одним элементом. Большинство современных мобильных телефонов работают на одной соте. Для блока на основе никеля потребуются три последовательно соединенных 1,2-вольтовых элемента.

Литий-ионная батарея не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов. Память отсутствует, и для продления срока службы батареи не требуется регулярных циклов.Кроме того, саморазряд меньше половины по сравнению с никель-кадмиевым, что делает литий-ионные аккумуляторы хорошо подходящими для современных датчиков уровня топлива. литий-ионные элементы при утилизации не причиняют особого вреда.

Несмотря на свои общие преимущества, литий-ионный имеет свои недостатки. Он хрупкий и требует схемы защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в каждую батарею, ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения ячейки при разряде.Кроме того, контролируется температура ячейки, чтобы предотвратить перепады температур. Максимальный ток заряда и разряда на большинстве блоков ограничен от 1 до 2 ° C. При соблюдении этих мер предосторожности возможность появления металлического литиевого покрытия из-за перезарядки практически исключается.

Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители умалчивают об этой проблеме. Некоторое ухудшение емкости заметно через год, независимо от того, используется аккумулятор или нет.Батарея часто выходит из строя через два-три года. Следует отметить, что другие химические вещества также обладают возрастными дегенеративными эффектами. Это особенно верно для никель-металлогидрида при воздействии высоких температур окружающей среды. В то же время известно, что литий-ионные блоки служат в некоторых случаях в течение пяти лет.

Производители постоянно совершенствуют литий-ионные. Новые и улучшенные химические комбинации вводятся каждые шесть месяцев или около того. При таком быстром прогрессе сложно оценить, насколько долго обновленная батарея устареет.

Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химических веществ). Производители рекомендуют хранить при температуре 15 ° C (59 ° F). Кроме того, при хранении аккумулятор должен быть частично заряжен. Производитель рекомендует заряд 40%.

Самый экономичный литий-ионный аккумулятор с точки зрения удельной стоимости - это цилиндрический 18650 (размер 18 мм x 65,2 мм). Эта ячейка используется для мобильных вычислений и других приложений, не требующих ультратонкой геометрии.Если требуется тонкий корпус, лучшим выбором будет призматический литий-ионный элемент. Эти клетки имеют более высокую стоимость с точки зрения накопленной энергии.

Преимущества

  • Высокая плотность энергии - потенциал для еще более высоких мощностей.
  • В новом состоянии не требует длительного грунтования. Достаточно одной регулярной зарядки.
  • Относительно низкий саморазряд - саморазряд в два раза меньше, чем у никелевых аккумуляторов.
  • Низкие эксплуатационные расходы - периодическая разрядка не требуется; нет памяти.
  • Специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.

Ограничения

  • Требуется схема защиты для поддержания напряжения и тока в безопасных пределах.
  • Подвержены старению, даже если они не используются - хранение в прохладном месте при 40% -ном заряде снижает эффект старения.
  • Ограничения на транспортировку - отгрузка больших объемов может подлежать регулирующему контролю.Это ограничение не распространяется на ручные аккумуляторные батареи.
  • Дороговизна в производстве - примерно на 40 процентов дороже, чем никель-кадмиевые.
  • Не до конца зрелые - металлы и химия постоянно меняются.

Литий-полимерный аккумулятор

Литий-полимерный отличается от обычных аккумуляторных систем типом используемого электролита. В оригинальной конструкции 1970-х годов используется сухой твердый полимерный электролит.Этот электролит напоминает пластиковую пленку, которая не проводит электричество, но позволяет обмениваться ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Конструкция из сухого полимера упрощает изготовление, надежность, безопасность и геометрию тонкого профиля. При толщине ячейки всего один миллиметр (0,039 дюйма) конструкторы оборудования предоставлены самому себе в плане формы, формы и размера.

К сожалению, сухой литий-полимер имеет плохую проводимость. Внутреннее сопротивление слишком велико и не может обеспечить всплески тока, необходимые для питания современных устройств связи и раскрутки жестких дисков мобильного вычислительного оборудования. Нагревание ячейки до 60 ° C (140 ° F) и выше увеличивает проводимость, что не подходит для портативных приложений.

Для компромисса было добавлено немного гелеобразного электролита. В коммерческих элементах используется мембрана сепаратор / электролит, изготовленная из того же традиционного пористого полиэтилена или полипропиленового сепаратора, заполненного полимером, который гелеобразуется при заполнении жидким электролитом.Таким образом, коммерческие литий-ионные полимерные элементы очень похожи по химическому составу и материалам на их аналоги с жидким электролитом.

Литий-ионный полимер не прижился так быстро, как ожидали некоторые аналитики. Его превосходство над другими системами и низкие производственные затраты не были реализованы. Никаких улучшений в увеличении емкости не достигается - фактически, емкость немного меньше, чем у стандартной литий-ионной батареи. Литий-ионный полимер находит свою рыночную нишу в тонких пластинах, таких как батареи для кредитных карт и другие подобные приложения.

Преимущества

  • Очень низкий профиль - возможны батареи, напоминающие профиль кредитной карты.
  • Гибкий форм-фактор - производители не ограничиваются стандартными форматами ячеек. При большом объеме можно экономично произвести любой разумный размер.
  • Легкие гелеобразные электролиты позволяют упростить упаковку за счет отсутствия металлической оболочки.
  • Повышенная безопасность - более устойчивая к перезарядке; меньше шансов на утечку электролита.

Ограничения

  • Более низкая плотность энергии и меньшее количество циклов по сравнению с литий-ионным.
  • Дорого в производстве.
  • Стандартных размеров нет. Большинство ячеек производится для массовых потребительских рынков.
  • Более высокое соотношение стоимости и энергии, чем у литий-ионной батареи

Ограничения по содержанию лития для авиаперевозок

Авиапутешественники задают вопрос: «Сколько лития в батарее мне разрешено брать с собой на борт?» Мы различаем два типа аккумуляторов: литий-металлические и литий-ионные.
Большинство литий-металлических батарей не подлежат перезарядке и используются в пленочных фотоаппаратах. Литий-ионные аккумуляторы служат для питания ноутбуков, сотовых телефонов и видеокамер. Батареи обоих типов, включая запасные, разрешены в ручной клади, но не могут превышать следующего содержания лития:
- 2 грамма для литий-металлических или литиевых батарей
- 8 граммов для литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи весом более 8 граммов, но не более 25 граммов могут перевозиться в ручной клади, если они имеют индивидуальную защиту от короткого замыкания и ограничены двумя запасными батареями на человека.

Как узнать содержание лития в литий-ионной батарее? С теоретической точки зрения в типичной литий-ионной батарее металлического лития нет. Однако необходимо учитывать эквивалентное содержание лития. Для литий-ионного элемента это рассчитывается как 0,3 номинальной емкости (в ампер-часах).

Пример: Литий-ионный аккумулятор емкостью 2 Ач 18650 содержит 0,6 грамма лития. На типичном аккумуляторе 60 Вт · ч для ноутбука с 8 ячейками (4 последовательно и 2 параллельно) это в сумме дает 4.8г. Максимальный аккумулятор, который вы можете взять с собой, - 96 Вт · ч, чтобы не превышать 8-граммовый предел ООН. Этот пакет может включать ячейки 2,2 Ач в структуре из 12 ячеек (4s3p). Если бы вместо этого использовалась ячейка 2,4 Ач, необходимо было бы ограничить батарею 9 ячейками (3s3p).

Ограничения на отгрузку литий-ионных аккумуляторов

  • Любой, кто отправляет литий-ионные батареи оптом, несет ответственность за соблюдение правил перевозки. Это касается внутренних и международных перевозок по суше, морю и воздуху.
  • Литий-ионные элементы, эквивалентное содержание лития которых превышает 1,5 грамма или 8 граммов на аккумуляторную батарею, должны транспортироваться как «прочие опасные материалы класса 9». Емкость элементов и количество элементов в упаковке определяют содержание лития.
  • Исключение составляют упаковки, содержащие менее 8 граммов лития. Однако, если посылка содержит более 24 литиевых элементов или 12 литий-ионных аккумуляторных батарей, потребуются специальная маркировка и отгрузочные документы.На каждой упаковке должно быть указано, что она содержит литиевые батареи.
  • Все литий-ионные батареи должны быть испытаны в соответствии со спецификациями, указанными в UN 3090, независимо от содержания лития (Руководство ООН по испытаниям и критериям, часть III, подраздел 38.3). Эта мера предосторожности защищает от транспортировки неисправных батарей.
  • Элементы и батареи должны быть разделены во избежание короткого замыкания и упакованы в прочные коробки.

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта.Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected] Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

или перейти к другому архиву

Аккумуляторы

1.) Основы

Базовая конструкция: Батарея состоит из двух или более ячеек. Каждая ячейка состоит из двух различные материалы с электролитом между ними. Ранние инженеры обнаружили, что при использовании правильных материалов отрицательно заряженные ионы притягиваются к катоду (-), в то время как положительно заряженные ионы притягиваются к аноду (+) (другому электроду).Есть много типов батарей, см. наш раздел истории, чтобы узнать больше о том, как несколько примечательных примеров работай.
12-минутное видео-описание основ химии батарей>
Видео о том, как собрать алюминиево-угольную батарею в домашних условиях>

Катод - электроны «выходят» из батареи из этого электрода и попадают в электрическое устройство, находящееся под напряжением, маркируется черным цветом или (-).Это отрицательный терминал, потому что атомы с лишними электронами (- заряженные ионы) притягиваются к этому терминалу.
Анод - электроны «попадают» в батарею от этого электрода, который отмечен красный или (+).
Примечание: термины «анод» и «катод» также могут использоваться в устройстве, они помогают указал как подключить устройство. В устройстве (например, светодиоде) электроны «входят» в устройство через катод и выход через анод (это в обратном направлении от батареи).
Безопасность!
* Подключение аккумулятора к устройству задним ходом может разрушить электрическое устройство, особенно полупроводниковые приборы.
* Замыкание аккумулятора путем подключения клеммы (-) к клемме (+) может привести к химическому возгоранию или взрыву.
* Попадание кислоты из аккумулятора на пальцы и одежду может вызвать ожог кожи и проедать дыры в одежде. и если их прикоснуться к глазам, это может привести к слепоте.Не открывайте батареи, кроме как в контролируемых окружающей среде, и с должной осторожностью.


Два способа классификации батарей:
Первичные батареи - этот тип батареи готов к электрическому заряду, как только как он построен
Вторичные батареи - аккумулятор этого типа необходимо заряжать после его изготовления.

Инженер с опытом работы в области электрохимии или нанотехнологий может работать над улучшением батареи и преодоление установленных препятствий на пути к совершенствованию.Улучшение даже одного угла таких характеристик, как плотность энергии, низкотемпературные характеристики, накопление энергии продолжительность, скорость перезарядки, форма, движение к использованию менее токсичного или менее дорогого материала может привести к значительным изменениям в нашем мире. Например гибридный и полностью электрический автомобиль существует уже столетие, но именно лучшие аккумуляторы позволили массовое использование электромобилей в 1990-е годы.

1.а) Типы аккумуляторов

Есть много способов сделать батарею, некоторым моделям более 200 лет, а другим (например, тех, кто использует углеродные нанотрубки), сейчас очень быстро развиваются!

Первичный Батареи:

(не заряжаются)

Хлорид цинка
Углерод цинка
Щелочной
Гидроксид оксидоника
Оксид лития-меди
Дисульфид лития-железа
Литий-железный сульфид
Литий-марганцевый диоксид
Литий-медный оксифосфат
Литий-оксид серебра + ванадий хромат
Литий-оксид серебра
Li-I2
Li-CuO
Li-CuS

Li-MnO2 (Li-Mn, "CR")
Тионилхлорид
Li-SOCl2, BrCl, Li-BCX
Сульфурилхлорид
Li-SO2
Li-PbCuS
Li-Bi2Pb2O5
Li-V2O5
Li-Bi2O3
Li-CoO2 Оксид ртути
Цинк-воздух
Оксид серебра
Плутониевые батареи и
другие ядерные батареи

Среднее Батареи:

(заряжаемые)

NiCd или NiCad Никель-кадмиевый 1899
Свинцово-кислотный 1859
NiMH
NiZn
Щелочной (некоторые перезаряжаемые)
Литий-ионный Литий-ионный
Литий-ионный полимер
Оксид лития-титана
Литий-железо-фосфатные батареи
Литий-железо-магниевый фосфат
Никель-железные батареи (NiFe)
NIh3
Никель-цинковые
LiFePO4
Сера Li
Титанат лития
Тонкая пленка ZnBr
V редокс 10
NaS
Расплав солей
Серебро цинк (Ag-цинк)

2.) История АКБ


Вверху: иллюстрация вольта-батареи, питающей экспериментальную дуговую лампу, первый вариант электрическое освещение

2.a) 1800: Voltaic Pile - первая батарея, непосредственно вызвавшая электрическую революцию

Алессандро Вольта из Комо, Италия, создал первую современную батарею около 1800 года.Он имел получил образование в области химии и физики и преподавал в государственной школе, а затем Королевская школа в Комо. Он использовал цинко-медный (или серебряный) электрод с электролитом. серной кислоты или смеси рассола (соль и вода). Цинк реагировал с отрицательно заряженный сульфат. Положительно заряженные ионы водорода захватывают электроны. из меди, образуя водородный газ. Цинковый диск стал отрицательным. электрод и положительный медный / серебряный диск.Первая батарея Вольты появилась в результате 9 лет обучения, начиная с «электричества животных» или изучения электричества. ток внутри тела. Как и все великие новаторы, он продвигал работы своих предшественников, в данном случае это было Луиджи Гальвани и его работа над «животным электричеством». >

Вверху: см. Модель батареи Вольта в Смитсоновском институте

Батарея Вольта быстро привлекла внимание всего мира.Исследователи из России в США начали экспериментировать с версиями его батареи для проведения экспериментов. Гальваника, разделение элементов для научных исследований, электрического освещения и электромагнетизма все исследования быстро продвигались благодаря стопке Вольта. Это было названо «стопкой», потому что дополнительные блоки цинка / меди могут быть установлены на устройство для увеличения мощности. Даже сегодня в латинских языках слово «пила» означает «батарея».

Недостатки батареи Volta заключались в том, что пропитанный рассолом тканевый материал должен был оставаться влажным, а также электролит просочился вниз и вызвал короткое замыкание.Химическое накопление на меди вызвал изолирующий слой, который остановил батарею примерно через час. В течение следующего три другие десятилетия, такие как Уильям Стерджен и Джозеф Генри, улучшили конструкцию батарей.
Вверху: Гальваническая батарея Джозефа Генри (сделанная из цинковых и медных пластин) была разработана производить различной интенсивности в зависимости от по необходимости с помощью набора подвижных соединителей и стаканчиков с ртутью. Сегодня устройство, которое мы будем использовать для обеспечения изменения уровней мощности для эксперимента, будет вариак (автотрансформатор), подключенный к электросети.Генри нужны были переменные уровни мощности проводить свои эксперименты по электромагнетизму.
Подробнее о Батарея Генри на снимке из Принстона>

2.b) Ячейка Грене 1857-1900-х годов "Бутылочная батарея"

Элемент Grenet Cell стал важным этапом в истории аккумуляторных батарей и использовался более 60 лет.Этот мокрая ячейка оказалась мощной и надежной. Он был наполнен кислотой и его можно было использовать повторно. К 1880-м годам единицы могли прослужить несколько месяцев. или годы без повторного наполнения, хотя для некоторых применений его нужно было перезаправлять каждые несколько недель. Томас Эдисон использовал клетки Гренета для своих экспериментов, Медицинские работники также использовали камеру для всего, от электроинструментов в больницах экспериментам над пациентами. Ячейки были разных размеров, колбы также можно было размещать последовательно для получения большей мощности.

Конец ячейки Грене пришел из-за ее слабостей, в том числе раздражения со стороны заправка, вес, и то, что она могла пролиться. Доска с резиновым уплотнением (гидростат) со временем сузится, что приведет к утечке через верх. Как и многие батареи того времени он был сделан из стекла, и хотя он был построен из толстого стекла, он все еще мог разбиться.

Ячейка Грене была усовершенствована доктором.Бирн (Бруклин) в 1878 году. Современные сухие камеры сегодня. также используют цинк-угольную ячейку, однако в качестве электролита используют влажный картон. вместо жидких кислот клетки Грене.

Свинцово-кислотный аккумулятор


1859 - Гастон Плант из Франции изобретает наиболее часто используемый большой аккумулятор сегодня: свинцово-кислотный аккумулятор. Подробнее о Свинцово-кислотный аккумулятор>

Современные свинцово-кислотные аккумуляторы (например, в вашем автомобиле) обладают высокой плотностью энергии. около 30 ватт-часов на килограмм.


2.c) Сухая камера

В 1886 году были разработаны сухие элементы, и это стало огромным улучшением для некоторых приложений аккумулятор. В сухом элементе использовался пастообразный электролит, что позволяло использовать аккумулятор в любой ориентации. и улучшена площадь переносных аккумуляторов. Карл Гасснер и разработали сухую ячейку, используя гипс с примесью других химикатов. Первую выставленную на продажу модель произвел 1.5 вольт. Позже гипс заменили на свернутый картон. Колумбия произвела первую массу выпускаемые модели.

Внизу слева: классические сухие элементы на 1,5 В Columbia, выставленные в Техническом центре Эдисона.
Внизу справа: 3 классических сухих элемента, которые использовались в ранних радио.

Информацию о литиевых, щелочных и других современных формах сухих батарей см. Ниже.

2.d) Томас Эдисон и батареи

Томас Эдисон сосредоточился на создании лучшей батареи для использования в электромобилях. Существующие батареи, такие как Grenet Cell, были сделаны из стекла и не соответствовали требованиям. Эдисон оставил свой след в мире аккумуляторов множеством улучшений. Ячейка Эдисона-Лаланда было значительным улучшением в батареях, у него повышенной прочности и срок хранения около года.Эдисон долгое время интерес к батареям всех размеров для питания своих изобретений, таких как электрическая ручка. Последним значительным усовершенствованием Эдисона аккумуляторов стала разработка практичного железоникелевого сплава. аккумулятор (NiFe). Ранний Эдисон NiFe батареи использовали толстый стеклянный корпус для удержания гидроксида калия электролит. Некоторые модели этих аккумуляторов могут сохранять заряд в течение многих лет. Железнодорожная отрасль по-прежнему использует старые никель-фетоновые батареи для резервного копирования переключателей. и другое оборудование из-за его долговременной надежности.


Вверху: оригинальные батареи Эдисона, используемые в электромобиле Detroit Electric 1914 года выпуска, принадлежавшем Steinmetz


Щелочная кислота AA является наиболее обычные одноразовые батареи в мире

3.) Современные батареи:

Сегодня в мире преобладают батареи на основе цинка, свинца и лития.Они безопаснее и меньше, чем батареи того же типа, которые были в первые дни. Меркурий и другие химические вещества были уменьшены в состав, и улучшения плотности энергии за эти годы сделали для использования меньше материала на ватт.

Щелочная батарея:

Щелочные батареи сегодня являются наиболее распространенными одноразовыми батареями (произведено 10 миллиардов единиц по всему миру каждый год).Они используют цинк и диоксид марганца. Щелочная батарея заменила угольно-цинковую батарею 1800-х годов из-за к более высокой плотности энергии.
Проблемы со щелочами включают утечку гидроксида калия (видны белые перистые кристаллы когда батарея стареет). Щелочная батарея изготовлена ​​из дешевых материалов, поэтому ее переработка нерентабельна, так как в результате он выбрасывается в основные отходы, что приводит к увеличение количества токсичных отходов на свалках.

3.a) Литий-ионные батареи (LIB)

Литиевые батареи

в настоящее время являются наиболее популярными аккумуляторами для мобильных приложений. (автомобили, портативные устройства) из-за небольшого веса и большой плотности энергии (количество энергии, которое вы можете хранить на килограмм веса). Литиевые батареи бывают разных форм:


Литий-железо-фосфат (LFeP) - 120+ ватт-часов на килограмм

Примечание: номинальные значения удельной энергии для любой из этих батарей может измениться по мере того, как улучшенные версии батареи развитый.

Слева: здесь показана плоская призматическая батарея на 20 ампер-часов, но они могут быть выполнен в спиральной конфигурации (цилиндр).

Смотрите наше видео о пионере инженерной мысли Энди Берк рассказывает о тестировании батарей LFeP>


Литий-кобальтооксидный аккумулятор (LiCoO2) - 100+ ватт-часов на килограмм, используется в мобильных устройствах телефоны и другие устройства меньшего размера.Этот тип батареи используется в ноутбуках для высокая плотность энергии, проблемы включают в себя тепловой разгон, который может вызвать возгорание.

Слева: литиевая батарея со спиральной намоткой, это от камеры Sony.


Титанат лития (LTO) - Они безопаснее, чем другие формы литиевых батарей (менее шанс теплового разгона).У них есть срок службы 10-20 000 циклов и 70-80 ватт-часов на килограмм (в 3 раза больше стандартной свинцово-кислотная батарея).

Слева: экспериментальный модуль 16 В из титаната лития в Калифорнийском университете в Дэвисе

Другое: Разрабатываются новые формы литиевых батарей, однако общий типы включают оксид лития, никеля, кобальта, алюминия, оксид лития, никеля, марганца, кобальта и литий-серные батареи.


Смотрите наше видео здесь с Тестирование литиевых батарей в лаборатории доктора Энди Берка: три типа лития Батареи:

Нанотехнологии улучшат литий-ионные батареи: Углеродные нанотрубки можно использовать в качестве катода и это позволяет осуществлять реакцию накопления лития на поверхности трубки, что намного быстрее. чем обычные реакции интеркаляции лития.Подробнее здесь>

4.) Границы инноваций в аккумуляторных батареях

Tesla Motors, General Electric и другие стремятся развиваться лучше и дешевле. батареи. Новые разработки аккумуляторов, такие как натрий-ионные, натрий-никель-хлоридные. (часть бренда аккумуляторов GE Durathon) обещают заменить крупномасштабные свинцово-кислотные батареи, используемые в энергосистемах и локомотивах.

Эксперты поставили цели, чтобы аккумуляторы действительно успешно применялись в электромобилях. что батареи должны прослужить более 15 лет глубоких разрядов и быть в состоянии заряжается так быстро, как бензин может заполнить топливный бак. Это непростые цели, но над ними работают сейчас же. Используя нанотрубки в литиевой батарее, можно перезарядить батарею. намного быстрее, однако обеспечить более длительный жизненный цикл будет сложнее.Подробнее здесь>

5.) Аккумуляторы до электрического возраста:

Стоит упомянуть, что батареи могли существовать до появления современных электрических возраст. Поскольку они не связаны с основной временной шкалой электрической истории, мы перечислили их. здесь.

Первая батарея 248 г. до н. Э .: Багдадская батарея была построена в Парфии или Сасанидах. период ~ 248 г. до н.э. - 226 г. н.э.Батарея состояла из угольного стержня в центре глиняная ваза. Стержень был окружен неизвестным электролитом (вероятно, это апельсиновый / лимонный сок), потом медь, потом асфальт. Каждая батарея имела вес около 2 килограммов и производилась 0,4-0,5 вольт при разомкнутых контактах. Эти батареи были очень слабыми. "Багдадская батарея" был найден в 1936 году, и многие авторитетные источники считают его подлинным.

Египтяне: Некоторые утверждают, что у древних египтян были батареи, похожие на Багдадскую батарею.

Ковчег Завета: предполагалось, что Ковчег Завета (коробка с золотой подкладкой) возможно, использовали ранние батарейки, чтобы зарядить золотую внешность. Тогда коробка сможет дать иллюзия магических сил, шокируя тех, кто к ней прикоснулся. Это всего лишь теория, но будет интересное использование электричества для создания чувства трепета и страха.

6.) ETC Видео с батареями:

Tesla Model S - аккумуляторы, кузов и подвеска>

Лаборатория аккумуляторов для гибридных автомобилей с Энди Бёрком>

История аккумуляторного бизнеса GE доктором.Оливер Винн (бывший менеджер)>

Электромобиль Baker использовал свинцово-кислотные батареи Эдисона в 1901>

Первый компьютеризированный гибридный автомобиль HTV1 (свинцово-кислотные батареи) 1978-1982 гг.>


Связанные темы:
Статья MW

Источники:
Век телеграфа и телефона.Автор Д. Макникол. 1915
Университет Санта-Клары
Университет Рутгерса: документы Томаса Эдисона
Нью-Йоркский медицинский журнал, январь-июнь 1889 года
Progressive Dynamics Inc.
Energizer
Википедия
IEEE Spectrum
General Electric
Трактат о нервных и психических заболеваниях Лэндона Картера Серый. 1893 г. Corrosion-doctors.org
Д-р Эндрю Берк. Калифорнийский университет в Дэвисе. 2010 г.
Фото / видео:
Edison Tech Center
Whelan Communications

Информацию об использовании изображений и видео Edison Tech Center см. В нашем лицензионном соглашении.

Как накопление энергии может произвести революцию в отрасли в ближайшие 10 лет

Какие изменения может иметь десятилетие. В 2010 году наши телефоны и компьютеры питали аккумуляторы. К концу десятилетия они начинают приводить в действие наши машины и дома.

За последние десять лет резкий рост производства литий-ионных аккумуляторов привел к снижению цен до такой степени, что - впервые в истории - электромобили стали коммерчески жизнеспособными с точки зрения как стоимости, так и производительности.Следующий шаг, который определит следующее десятилетие, - это хранилище в масштабе полезности.

По мере того, как непосредственность климатического кризиса становится все более очевидной, батареи являются ключом к переходу к миру, работающему на возобновляемых источниках энергии. Солнце и ветер играют все более важную роль в производстве электроэнергии, но без эффективных технологий хранения энергии природный газ и уголь необходимы в те времена, когда солнце не светит или ветер не воет. И поэтому крупномасштабное хранение играет важную роль, если общество хочет уйти от мира, зависящего от ископаемого топлива.

По оценкам UBS, в течение следующего десятилетия затраты на хранение энергии упадут между 66% и 80%, а мировой рынок вырастет до 426 миллиардов долларов. По пути целые экосистемы будут расти и развиваться, чтобы поддержать новую эру электричества с батарейным питанием, и последствия будут ощущаться во всем обществе.

Изменение электросети

Если электромобили будут расти быстрее, чем ожидалось, например, пиковый спрос на нефть может быть достигнут раньше, чем ожидалось, в то время как большее количество экологически чистой энергии изменит состав электросети.

В недавней записке для клиентов аналитики Cowen заявили, что в сети «в ближайшие десять лет произойдет больше изменений, чем за предыдущие 100 лет».

Растущий рынок накопителей энергии не оставляет недостатка в инвестиционных возможностях, особенно потому, что государственные субсидии и нормативные акты способствуют переходу к чистой энергии. Но, как и на других высококонкурентных рынках, таких как полупроводниковая промышленность в 1990-х годах, аккумуляторная батарея не всегда обеспечивала наилучшую отдачу для инвесторов. Ряд компаний, производящих аккумуляторы, обанкротились, что подчеркивает тот факт, что продукт, изменяющий общество, может не вознаградить акционеров.

«В конце концов, это достанется некоторым лидерам отрасли, которые заработают немного денег», - сказал Джо Оша из JMP Securities. «Я думаю, что все эти компании сделают хорошую работу по обеспечению снижения цен для производителей [электромобилей] в течение следующих 5-10 лет. Я не уверен, что они будут приносить большую прибыль акционерам в течение следующих 5-10 лет. процесс."

Тем не менее, хотя инвестировать в компании, занимающиеся чистыми аккумуляторными батареями, может быть непросто, существуют возможности для целевых компаний, которые выиграют от перехода к миру с низким содержанием углерода.Например, Sunrun - крупнейшая компания по производству солнечной энергии для жилых домов в Соединенных Штатах, а NextEra Energy - одна из крупнейших в стране компаний по возобновляемым источникам энергии, которая в настоящее время строит свои хранилища для коммунальных услуг.

По мере того, как ученые меняют химический состав батарей, а компании делают ставки на то, что может стать следующей прорывной технологией, Дэн Голдман, основатель венчурной компании Clean Energy Ventures, специализирующейся на чистых технологиях, сказал, что такие области, как инновационные системы управления батареями, являются хорошим выбором. ставка для инвесторов, так как они могут работать с любой аккумуляторной технологией.

«Использование огромных экономических возможностей, лежащих в основе перехода к контролю и энергетическим системам на основе батарей» требует, чтобы не только планировщики, политики и регулирующие органы, но и инвесторы «использовали экосистемный подход к развитию этих рынков», - писали исследователи из Rocky Mountain Institute в Прорывные аккумуляторы: в основе эры чистой электрификации .

Аккумуляторы: новая звезда науки

Аккумуляторные технологии в самом простом виде появились более двух столетий назад.Само это слово является обобщающим термином, поскольку батареи бывают всех форм и размеров: свинцово-кислотные, никель-железные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и т. Д.

Литий-ионные батареи - что само по себе может быть общим термином - были впервые разработаны в 1970-х годах и впервые реализованы Sony в 1991 году для портативного видеомагнитофона компании. Теперь их можно найти во всем: от iPhone до медицинских устройств, самолетов и международных космических станций.

Возможно, самым ярким свидетельством роли этих батарей в современном обществе является то, что в этом году Нобелевская премия по химии была присуждена трем ученым, разработавшим литий-ионную батарею.

«За последние десятилетия разработка [литий-ионных аккумуляторов] быстро прогрессировала, и мы можем ожидать, что в технологии аккумуляторов произойдет еще много важных открытий», - заявила в октябре Шведская Королевская академия наук. «Эти будущие прорывы, несомненно, приведут к дальнейшим улучшениям в нашей жизни, не только для нашего удобства, но и в отношении глобальной и локальной окружающей среды и, в конечном итоге, устойчивости всей нашей планеты».

Электромобили: преодолевая расстояние

Tesla была первой автомобильной компанией, которая начала коммерциализацию электромобилей с батарейным питанием, когда она представила родстер в 2008 году.Раньше автопроизводители возились с гибридными моделями, но, как правило, они не интересовались полностью электрическими автомобилями, учитывая высокую стоимость производства.

Но вкусы потребителей изменились за последнее десятилетие, и по мере усиления регулирующего надзора - особенно в Европе - автопроизводителям приходилось не отставать.

Практически все автопроизводители сейчас предлагают или планируют предлагать полностью электрические или, по крайней мере, гибридные модели автомобилей. В ноябре Ford представил свой полностью электрический Mustang Mach-E, который является частью плана компании на сумму 11 миллиардов долларов по разработке 40 полностью электрических и гибридных моделей к 2022 году, а в марте Volkswagen увеличил свою цель в отношении электромобилей до 70 новых моделей к 2028 году. по сравнению с предыдущей целью 50.

Цены на аккумуляторные батареи для электромобилей обычно рассматриваются как стоимость киловатт-часа. За последние десять лет цены упали, поскольку производство достигло экономии от масштаба. По данным BloombergNEF, сейчас они стоят около 156 долларов за киловатт-час, что на 85% меньше, чем в 2010 году, когда стоимость киловатт-часа составляла 1100 долларов плюс. По данным BloombergNEF, продолжающееся производство и повышение эффективности приведут к падению цен к 2024 году ниже цены 100 долларов / кВтч, что важно, поскольку это отраслевой консенсус относительно того, когда электромобили достигнут паритета цен с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

«Хотя концепция электромобилей не нова, в этом автомобильном цикле отличает доступность надежных и недорогих аккумуляторов, которые обладают отличными энергетическими и энергетическими характеристиками в практическом форм-факторе», - сказал аналитик Cowen Джеффри Осборн. недавнее примечание для клиентов.

Рабочие на производственной линии литий-ионных аккумуляторов для электромобилей (EV) на заводе в Хучжоу, провинция Чжэцзян, Китай.

Reuters

Мировые продажи подключаемых к электросети электромобилей, включая электромобили с аккумуляторным питанием и подключаемые к сети гибридные электромобили, достигли 1-го уровня.98 миллионов в 2018 году, по данным Международного энергетического агентства, в результате чего общее количество электромобилей на дорогах превысило 5,1 миллиона. Это все еще очень небольшая часть из более чем 1 миллиарда автомобилей на дорогах сегодня, но ожидается, что их число будет продолжать расти. BloombergNEF прогнозирует, что к 2040 году 57% продаж новых легковых автомобилей будут электрическими, что доведет общий парк электромобилей до 30%.

Tesla в настоящее время является крупнейшим в мире производителем электромобилей, и, хотя компания еще не получала годовой прибыли, она сообщила о прибыли на квартальной основе, в том числе за последний квартал.Компания оказалась несколько поляризованной с точки зрения инвестирования, учитывая частые сбои в поставках и иногда неустойчивое поведение генерального директора Илона Маска.

Но компании удалось снизить цену на свой аккумулятор. Отчасти это связано с гигафабрикой Tesla в Спарксе, штат Невада, которая работает практически на пределе максимальной эффективности, а также с тем, что бытовые и коммунальные хранилища компании помогают распределить фиксированные затраты на производство аккумуляторов. Компания также получила государственные субсидии и оптимизировала работу своего гигафабрики.

Литий-ионные аккумуляторные элементы

Tomohiro Ohsumi | Bloomberg | Getty Images

Аккумулятор является ключевым отличием электромобилей, поскольку запас хода автомобиля определяется количеством накопленной энергии, а также определяет время, необходимое для зарядки автомобиля.

В недавней заметке Credit Suisse сказал, что важно отдать должное Tesla за разработку аккумуляторных батарей. Компания имеет низкий рейтинг по акциям, но заявила, что у автопроизводителя есть «преимущество перед другими автопроизводителями в области электрификации», помимо прочего, благодаря плотности энергии его батареи.

Компактная модель Tesla 3 стоит от 39 990 долларов, не считая экономии от государственных субсидий и газа, что означает, что она по-прежнему значительно дороже, чем компактные автомобили с газовым двигателем. Еще одна проблема, которую автопроизводителям придется решать в будущем, - это больший запас хода на одной зарядке и более быстрое время зарядки, что препятствует широкому распространению.

Но с уменьшением стоимости аккумуляторов, по мнению S&P Global Platts, электромобили могут стать конкурентоспособными в местах с высокими ценами на нефть уже в ближайшие два-три года.

«Tesla вывела бренд на рынок и действительно помогла всей отрасли», - сказал Остин Девани, директор IHS Markit по глобальной неорганике. «Вы доберетесь до того, что карманная сторона начнет привлекать больше людей к электромобилям, поэтому вы увидите рост проникновения в ближайшие годы».

Инвестиционные возможности в цепочке поставок аккумуляторов

Основная причина, по которой электромобили с аккумуляторным питанием все еще относительно дороги, - это стоимость сырья, необходимого для их производства.Помимо лития, для литий-ионных аккумуляторов необходимы другие минералы, такие как кобальт и графит, а также такие металлы, как никель, алюминий и марганец.

Электромобили сегодня опережают спрос на литий среди бытовой электроники. В то время как спрос на минерал растет, цены резко упали за последнее десятилетие после того, как рост производства опередил более медленные, чем ожидалось, продажи электромобилей, сообщает S&P Global Platts. Фирма заявила, что ожидает, что спрос в транспортном и энергетическом секторах почти утроится в течение следующих пяти лет, и что по мере «нарастания импульса» спрос может перевесить предложение.«

Химическая компания Albemarle могла бы стать одним из бенефициаров растущего спроса, поскольку у нее есть литиевые предприятия по всему миру, в том числе в Сильвер-Пике, Невада и Салар-де-Атакама, Чили. В прошлом году количество аналитиков Уолл-стрит, имеющих рейтинг, эквивалентный покупке акций, упал с 80% до 52%.

Но не все отказались от этой акции. Аналитик Jefferies Лоуренс Александер сказал в декабре, что это «один из самых интригующих историй за 3-5 лет.«Его цель в 83 доллара на 15% выше, чем в настоящее время торгуются акции.

Среди других экстракторов лития - базирующаяся в Филадельфии компания Livent, которая была выделена из корпорации FMC, и чилийская компания Sociedad Quimica y Minera De Chile SA

. бассейны солевого раствора и перерабатывающий завод литиевого рудника Soquimich (SQM) на соляной равнине Атакама на севере Чили, 10 января 2013 года.

Иван Альварадо | Reuters

Когда дело доходит до фактического изготовления аккумуляторных элементов для аккумуляторной батареи, На рынке доминируют такие азиатские компании, как Panasonic, CATL, LG Chem и китайская BYD, которая почти на 25% принадлежит Berkshire Hathaway Уоррена Баффета.

Panasonic сотрудничает с Tesla, а LG Chem производит аккумуляторы, в частности, для General Motors и Ford.

В декабре GM и LG Chem объявили, что к 2023 году они инвестируют до 2,3 миллиарда долларов в создание совместного предприятия в Огайо по производству аккумуляторных элементов для электромобилей. «Новый завод поможет нам масштабировать производство и значительно повысить рентабельность и доступность электромобилей», - заявила генеральный директор и председатель правления GM Мэри Барра на мероприятии для СМИ, анонсировавшем новый завод.

Девани сказал, что мы достигли своего рода «переломного момента», когда игроки, играющие на материальных средствах, могут увидеть паритет в ценах на аккумуляторные элементы и блоки. «Пять лет назад… электромобили были скорее новинкой… потребители не обязательно осознавали преимущества, сегодня они есть».

Заставьте ваш телефон питаться от дома

Спрос на более мощные и лучшие батареи для питания электромобилей произвел волновой эффект, в том числе и в области домашнего накопления энергии. Это особенно верно, поскольку падение цен на солнечную энергию вкупе с государственными субсидиями побудило потребителей перейти на возобновляемые источники энергии.

В ноябрьской записке для клиентов Оша из JMP сказал, что SunRun, который предлагает солнечные батареи и варианты хранения, выглядит готовым к «отличному 2020 году», отчасти из-за потенциала роста со стороны компании по хранению данных.

«Использование накопителей заметно как в RUN, так и во всей отрасли - бытовые батареи превратились из любопытства во все более распространенную часть новой жилой солнечной установки», - сказал он.

Tesla - еще одна компания, которая предлагает солнечные батареи и накопители с батареей Powerwall, которая, по словам аналитика Baird Бен Калло, в настоящее время является «недооцененной» частью компании, но, как он ожидает, станет «более крупной сферой внимания по мере увеличения прибыльности и роста прибыли». развертывания растут."

Tesla's Powerwall 2

Источник: Tesla

В то время как обе эти компании также предлагают солнечные установки, другие компании, такие как Enphase Energy, предлагают батареи, которые интегрируются с существующими солнечными системами. Enphase является лидером в рейтинге NASDAQ Composite в этом году. через год после роста на 465%

Следующий шаг: хранилище в масштабе коммунального предприятия

Однако самый большой потенциальный рынок для хранения энергии - это не отдельные потребители, а крупные коммунальные предприятия.

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, обеспечивают все больше и больше энергии для сети. Но до тех пор, пока не будут разработаны эффективные накопители энергии, эти прерывистые источники будут по-прежнему полагаться на ископаемое топливо.

Проект Лавай по хранению солнечной энергии и энергии на острове Кауаи, Гавайи.

Проще говоря, в настоящее время электрическая сеть обычно работает так, что энергия вырабатывается буквально за несколько мгновений до этого. Запасов не так много, поэтому спрос и предложение должны всегда находиться в равновесии.

Но по мере того, как цены на аккумуляторы падают, все больше и больше коммунальных предприятий интегрируют литий-ионные аккумуляторы в свои системы. В настоящее время они в основном используются для замены так называемых пиковых электростанций - станций, обычно работающих на природном газе, которые используются только в периоды пикового спроса. Они также начинают заменять дизельные генераторы в местах, где постоянно требуется электричество, например, в больницах.

Государственные стимулы и падающие затраты на солнечную и ветровую энергию также повышают жизнеспособность накопителей энергии.

«10 лет назад батареи были перспективным решением для более широкого проникновения возобновляемой энергии в электрические сети, и сегодня я думаю, что вы можете увидеть в ближайшие 10 лет видимость того, что это стремление станет реальностью», Об этом CNBC сообщил управляющий директор Ultra Capital Кристиан Ханелт. Он добавил, что у коммунальных компаний есть естественное преимущество, поскольку они понимают сеть электропередач и знают, где они могут получить выгоду.

NextEra Energy - один из крупнейших поставщиков возобновляемой энергии в стране, который включает в себя предложения по хранению энергии.В недавней записке для клиентов Credit Suisse назвал это одной из своих лучших инвестиционных идей, основанных на «сильной зависимости NextEra от быстрорастущей отрасли возобновляемых источников энергии» и «ведущем в мире крупномасштабном бизнесе по развитию возобновляемых источников энергии». Другие компании, предлагающие накопители энергии, включают компанию EnerSys из Пенсильвании, а также Pinnacle West Capital Corporation, которая в феврале объявила о планах добавить 850 мегаватт аккумуляторных батарей в Аризоне в течение следующих 5 лет.

В настоящее время крупнейшая установка литий-ионных аккумуляторов находится в Южной Австралии и работает от Tesla.Его мощность составляет 100 мегаватт, что, по данным сайта, позволяет питать 30 000 домов при максимальной мощности. В ноябре французская компания Neoen, которая управляет площадкой, объявила о расширении на 50%, в результате чего мощность увеличится до 150 МВт.

Должностные лица и рабочие собираются возле комплекса Hornsdale Power Reserve с крупнейшей в мире литий-ионной батареей производства Tesla во время официального запуска около южно-австралийского города Джеймстаун.

Дэвид Грей | Reuters

Производители и операторы оборудования для возобновляемых источников энергии, а также компании, занимающиеся химическими продуктами и материалами, также могут получить выгоду, если хранение энергии ветра и солнца станет более целесообразным.Осборн отметил, что потребуется новое программное обеспечение, чтобы помочь коммунальным предприятиям понять потребности в электроэнергии, поскольку возобновляемые источники энергии и электромобили получают от сети.

«Мы рассматриваем внедрение интеллектуальных технологий в электросети как одну из следующих больших волн расходов на ИТ и новую инвестиционную тему, которая, вероятно, будет реализована в течение следующих 10-20 лет. По сути, Smart Grid - это крупномасштабный проект. - масштабные упражнения по интеграции программного обеспечения с использованием датчиков связи по сети », - сказал он.

Следующее десятилетие

Сохраняющиеся высокие затраты являются одной из причин, препятствующих резкому увеличению интеграции литий-ионных аккумуляторов в сеть. Другой фактор заключается в том, что этот конкретный тип батареи не обязательно может оказаться наиболее подходящим для хранения энергии в течение более длительных периодов времени. Также известно, что они воспламеняются, и есть проблемы с некоторыми необходимыми компонентами, такими как кобальт, почти половина которого поступает из Конго. Переработка и воздействие добычи металлов на окружающую среду - это другие проблемы, на которые следует обратить внимание.

Миллиарды долларов тратятся на поиск альтернатив. Твердотельные батареи, в которых, например, используется натрий вместо жидких электролитов, являются одним из возможных вариантов, как и проточные батареи, в которых для хранения энергии используются резервуары с электролитами. Но пока ни один из этих вариантов не является жизнеспособным.

Хотя точный тип батареи, которая выиграет, неизвестно, можно сказать наверняка, что батареи будут играть еще большую роль в обеспечении нашей жизни в будущем.

«Огромные инвестиции в производство батарей и устойчивый прогресс в технологии привели к сейсмическому сдвигу в том, как мы будем поддерживать нашу жизнь и организовывать энергетические системы уже в 2030 году», - писали исследователи из Института Рокки Маунтин в книге Breakthrough Batteries: Powering the Эра чистой электрификации .

- CNBC Майкл Блум , Нейт Раттнер и Майкл Вэйланд участвовал в репортажах.

Аккумуляторы нового поколения делают важный шаг к коммерческой жизнеспособности - ScienceDaily

Литий-серные аккумуляторы были провозглашены следующим большим шагом в технологии аккумуляторов, обещающим значительно более длительное использование на одном заряде для всего, от мобильных телефонов до электромобилей. при этом они более экологически безопасны в производстве, чем существующие литий-ионные батареи.Однако эти батареи не работают так долго, как их литий-ионные аналоги, и со временем они портятся.

Группа исследователей из инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине нашла способ стабилизировать одну из наиболее сложных частей литий-серных батарей, приблизив эту технологию к тому, чтобы стать коммерчески жизнеспособной. Результаты исследования, опубликованные сегодня в номере Joule , показывают, что создание искусственного слоя, содержащего теллур, внутри батареи на месте поверх металлического лития, может продлить ее срок службы в четыре раза.

«Сера в изобилии и экологически безвредна, и в США нет проблем с цепочкой поставок», - сказал Арумугам Мантирам, профессор машиностроения и директор Техасского института материалов. «Но есть инженерные проблемы. Мы уменьшили проблему, чтобы продлить срок службы этих батарей».

Литий - это реактивный элемент, который имеет тенденцию разрушать другие элементы вокруг себя. Каждый цикл литий-серной батареи - процесс ее зарядки и разрядки - может вызвать образование мшистых игольчатых отложений на литий-металлическом аноде, отрицательном электроде батареи.Это запускает реакцию, которая может привести к общей деградации батареи.

Отложения разрушают электролит, который перемещает ионы лития вперед и назад. Это может улавливать часть лития, не позволяя электроду выдавать полную мощность, необходимую для сверхдлительного использования, что обещает технология. Реакция также может привести к короткому замыканию аккумулятора и потенциальному возгоранию.

Искусственный слой, сформированный на литиевом электроде, защищает электролит от разложения и уменьшает замшелые структуры, которые удерживают литий от образования во время зарядов.

«Слой, сформированный на поверхности лития, позволяет ему работать, не разрушая электролит, и это увеличивает срок службы батареи», - сказал Амрут Бхаргав, который вместе с аспирантом Санджаем Нандой стал соавтором статьи.

Мантирам добавил, что этот метод может быть применен к другим батареям на литиевой и натриевой основе. Исследователи подали предварительную заявку на патент на технологию.

«Стабилизирующий слой формируется с помощью простого процесса на месте и не требует дорогих или сложных процедур предварительной обработки или нанесения покрытия на литий-металлический анод», - сказал Нанда.

Устранение нестабильности этой части батареи является ключом к увеличению срока ее службы и более широкому распространению. Мантирам сказал, что литий-серные батареи в настоящее время лучше всего подходят для устройств, которым нужны легкие батареи, которые могут работать в течение длительного времени от одной зарядки и не требуют большого количества циклов зарядки, например для дронов. Но у них есть потенциал, чтобы сыграть важную роль в расширении ассортимента электромобилей и более широком использовании возобновляемых источников энергии.

Как положительный, так и отрицательный электроды в литий-серных батареях имеют в 10 раз большую емкость заряда, чем материалы, используемые в сегодняшних литий-ионных батареях, сказал Мантирам, что означает, что они могут обеспечить гораздо больше пользы от одного заряда. Сера широко доступна в качестве побочного продукта нефтегазовой промышленности, что делает производство батарей недорогим. Сера также более экологична, чем металлооксидные материалы, используемые в литий-ионных батареях.

История Источник:

Материалы предоставлены Техасским университетом в Остине . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Почему они так ценны в мире высоких технологий

ЗАКРЫТЬ

Джон Б. Гуденаф, самый старый человек, когда-либо получавший Нобелевскую премию, сказал в среду, что не уходит на пенсию и ему еще есть над чем поработать. (9 октября) AP Domestic

Без них наши смартфоны, планшеты и ноутбуки были бы бесполезны.

Литий-ионный аккумулятор - это технологический прорыв, который помог его создателям в среду получить Нобелевскую премию по химии.

«Они создали перезаряжаемый мир», - говорится в заявлении Шведской королевской академии наук, вручившей Нобелевскую премию.

Призы включают денежную премию в размере 918 000 долларов США, золотую медаль и диплом.

С момента выхода на рынок в 1991 году литий-ионные батареи «заложили основу беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, и приносят наибольшую пользу человечеству», - говорится в заявлении Нобелевского комитета.

«Перезаряжаемый мир»: Ученые получили Нобелевскую премию по химии за работы с литий-ионными батареями

Автозапуск

Показать миниатюры

Показать подписи

Последний слайдСледующий слайд

Когда были созданы литий-ионные батареи?

Стэнли Уиттингем, выдающийся профессор химии Бингемтонского университета, заложил основу литий-ионной батареи в 1970-х годах во время нефтяного кризиса.Хотя эта батарея могла выдерживать до 2 вольт энергии (большинство современных батарей - 1,5 вольта), она была слишком взрывоопасной, чтобы быть жизнеспособной, заявил Нобелевский комитет.

В 1980 году Джон Б. Гуденаф из Техасского университета в Остине создал компонент, который лучше справлялся с ионами лития или заряженными атомами лития, потерявшими один из своих трех электронов. Это привело к созданию более мощных батарей.

Пять лет спустя Акира Ёсино из Asahi Kasei Corp. и Университета Мейджо в Японии создал первую коммерчески жизнеспособную литий-ионную батарею.

Как они работают?

Согласно Министерству энергетики, литий-ионная батарея имеет анод и катод или электрические проводники, которые мы знаем как «-» и «+» концы батареи, в которых хранится литий; электролит и сепаратор, которые помогают в распределении ионов лития через батарею; и коллекторы для положительных и отрицательных электрических токов.

Когда литий-ионный аккумулятор разряжается, поток ионов создается от анода к катоду, генерируя энергию.Когда вы заряжаете аккумулятор, поток от катода к аноду меняется на противоположный.

Важный элемент современной технологии

Разработка литий-ионной батареи была революционной в мире технологий, питая такие устройства, как мобильные телефоны и ноутбуки. Батареи служат намного дольше, потому что пользователи могут заряжать их сотни раз.

«Преимущество литий-ионных батарей состоит в том, что они основаны не на химических реакциях, которые разрушают электроды, а на ионах лития, текущих между анодом и катодом», - заявили в комитете.

Батареи использовались для хранения энергии солнечной и ветровой энергии, что, по мнению комитета, имеет решающее значение для отказа от ископаемого топлива.

Одна из серьезных проблем литий-ионных аккумуляторов - их склонность к перегреву, заявил Институт чистой энергии при Вашингтонском университете. «Из-за рисков, связанных с этими батареями, ряд судоходных компаний отказывается выполнять оптовые поставки батарей самолетом», - говорится в сообщении CEI.

Батареи помогают приводить в действие электромобили

Литий-ионные батареи стали критически важными для внедрения электромобилей, от Tesla Model 3 до Chevrolet Bolt и Nissan Leaf.

В отличие от гибридных автомобилей, в которых обычно используются никель-металлогидридные батареи, в электромобилях используются литий-ионные батареи с более высокими характеристиками. По данным Министерства энергетики, их высокая удельная мощность, энергоэффективность и контроль температуры особенно полезны для транспортных целей.

Хотя цены значительно снизились, электромобили остаются более дорогими, чем автомобили с бензиновым двигателем, из-за затрат, связанных с литий-ионными батареями. Согласно отчету, опубликованному в декабре, аналитики Комиссии по международной торговле прогнозировали, что к 2025 или 2030 году стоимость электромобилей упадет до уровня обычных транспортных средств.

В долгосрочной перспективе электромобили могут перейти на другие технологии хранения энергии, такие как твердотельные батареи или литий-воздушные батареи, считают эксперты.

Содействовал: Натан Бомей, США СЕГОДНЯ; The Associated Press

Следите за сообщениями Бретта Молины в Twitter: @ brettmolina23.

Прочтите или поделитесь этой историей: https://www.usatoday.com/story/tech/2019/10/09/lithium-ion-batteries-nobel-prize/3916897002/

Ретроспектива литий-ионных батарей

Анод

Литий металлический - самый легкий металл и обладает высокой удельной емкостью (3.86 Ач (г) - 1 ) и чрезвычайно низкий электродный потенциал (−3,04 В по сравнению со стандартным водородным электродом), что делает его идеальным анодным материалом для высоковольтных и высокоэнергетических батарей. Однако электрохимический потенциал Li + / Li лежит выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если не образуется пассивирующая граница раздела твердых электролитов (SEI) 1 . SEI подвержен повреждению и неравномерно ремонтируется на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может вызвать короткое замыкание ячейки и возгорание (рис.1а).

Рис. 1: Важнейшие открытия, которые сформировали современные литий-ионные батареи.

Разработка анодных материалов ( a ), включая металлический литий, нефтяной кокс и графит, ( b ) электролитов с растворителем пропиленкарбонатом (PC), смесью этиленкарбоната (EC) и по крайней мере одного линейного карбоната выбран из диметилкарбоната (DMC), диэтилкарбоната (DEC), этилметилкарбоната (EMC) и многих добавок, катодных материалов ( c ), включая материалы конверсионного типа, интеркаляционные материалы, дисульфид титана (TiS 2 ) и кобальт лития. оксид (LiCoO 2 ).

Чтобы избежать проблем с безопасностью металлического лития, Арманд предложил сконструировать литий-ионные аккумуляторы с использованием двух разных интеркаляционных узлов 2,3 . Безенхард сообщил о первом графитовом электроде на основе литий-ионной интеркаляции, показав, что графит может интеркалировать несколько ионов щелочных металлов, включая ионы лития 4 . Графит интеркалирует ионы Li на основе слоистой структуры с наполовину заполненными орбиталями p z , перпендикулярными плоскостям, которые могут взаимодействовать с орбиталями Li 2s, чтобы ограничить объемное расширение и рост дендритов.Однако удельная емкость графита (LiC 6 , 0,372 Ач г –1 ) 1 намного меньше, чем у металлического лития. Так продолжалось до полного отзыва литий-металлических батарей компанией Moli Energy после нескольких пожаров, что такие интеркалирующие материалы, как графит, все чаще рассматривались как жизнеспособный анод в гонке по замене металлического лития для повышения безопасности. В то время соинтеркаляция электролита (пропиленкарбоната ПК) приводила к расслоению и разрушению графита (рис.1а), что затрудняет его применение в аккумуляторном элементе.

В 1985 году Акира Йошино 5 из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитизированный углерод из остатков нефтяного фракционирования, может обратимо интеркалировать ионы Li при низком потенциале ~ 0,5 В относительно Li + . / Ли без структурного разрушения. Его структурная стабильность обусловлена ​​областями аморфного углерода в нефтяном коксе, которые служат ковалентными соединениями для скрепления слоев вместе 6 (рис.1а). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~ Li 0,5 C 6 , 0,186 Ач г -1 ) 6 , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных батарей благодаря своему устойчивость при езде на велосипеде.

Катод

Чтобы обеспечить высокую емкость металлического лития, сначала рассматривались катоды конверсионного типа, включая фториды, сульфиды или оксиды металлов (рис. 1c). Во время работы от батареи эти материалы реагируют с образованием фаз с различной структурой и новым составом 6 .Следовательно, преобразовательные электроды не допускают много циклов, поскольку разрыв связи и преобразование происходят во время каждого цикла.

Зная об ограничении реакций превращения, ученые обратились к новым механизмам накопления ионов лития, которые не предполагают структурного разрушения во время цикла. Халькогениды металлов (MX 2 ) со слоистой структурой и доступным пространством для хранения литий-ионных гостей привлекли внимание Уиттингема и его сотрудников из Exxon 7 , которые показали, что дисульфид титана (TiS 2 ) может химически интеркалировать Li- ионы во всем стехиометрическом диапазоне с минимальным расширением решетки.В 1973 и 1974 годах Уиттингем применил TiS 2 в качестве катода для батарей (рис. 1c), а затем продемонстрировал элемент 2,5 В в 1976 году 8 .

Очевидно, низкое напряжение батареи TiS 2 // Li указывает на то, что ее удельная энергия ограничена. Стремясь найти новые катодные материалы, которые интеркалируют ионы Li при более высоких потенциалах, Гуденаф обратился к оксидным эквивалентам халькогенидов металлов (MX 2 , где X = O). Он отметил, что вершина полос S-3p 6 выше по энергии, чем у полос O-2p 6 , что обеспечивает более высокие потенциалы интеркаляции для оксидов металлов, чем сульфиды металлов 9 (рис.1в). Более высокая энергия полос S-3p 6 в сульфидах металлов приписывается меньшей электростатической энергии Маделунга (больший сульфид-ион) и большей энергии, необходимой для переноса электрона от катиона (M n + ) на S . - / S 2– с бесконечным разделением 9 .

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками 10 . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде кобальта лития (LiCoO 2 ) 11 , который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4.0 В по сравнению с Li + / Li и позволял использовать перезаряжаемую батарею 4,0 В при соединении с литиево-металлическим анодом. Однако кобальт имеет ограниченное количество, что является препятствием для его применения. Шпинель LiMn 2 O 4 12 с тетраэдрическими ионами лития предлагает окислительно-восстановительный потенциал ~ 4,0 В по сравнению с Li + / Li при более низкой стоимости. Однако он ограничен проблемами разложения из-за растворения Mn в присутствии ионов H + (уровень ppm) в электролите.Оксид полианиона Li x Fe 2 ( X O 4 ) 3 ( X = S, Mo, W и т. Д.) 13,14 предлагает более высокое напряжение элемента по сравнению с простыми оксидами например, Fe 2 O 3 / Fe 3 O 4. Ковалентная связь X -O в полианионоксиде ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индуктивного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии пары Fe 2 + / 3 + и, таким образом, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, от <2.5 В для Fe 2 O 3 до 3,6 В для Li x Fe 2 (SO 4 ) 3 ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости за счет большого количества переходных металлов, таких как Fe, а также улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает плохой электронной проводимостью и более низкой плотностью. Среди трех классов оксидов слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностями энергии остаются любимыми катодами до сих пор 10 , а электрод LiCoO 2 в настоящее время является основным катодным материалом, из которого питается большинство персональных электронных устройств.

Электролит

Рабочее окно электролита определяется его НСМО и высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО), которая должна быть выше, чем электрохимический потенциал анода ( μ a ) и ниже, чем электрохимический потенциал катод ( μ c ) соответственно (LUMO> μ a , HOMO < μ c ). В качестве альтернативы, стабильный пассивирующий слой SEI должен быть создан на аноде или катоде в случае LUMO < мкм a или HOMO> мкм c , соответственно 1 .

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита сделало возможным практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 o ° C) по сравнению с EC (36,4 ° ° C) 6 . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурное повреждение графита, что приводит к сокращению срока службы. Исследователи Sanyo 6,15 заявили об успешном электрохимическом литиировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn 16 сообщил, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, что открывает путь для разработки графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *