Складные бумажные литий-ионные аккумуляторы увеличивают плотность энергии в 14 раз

Батарейка Пандоры

Сегодня будут первые торги после снятия санкций с Ирана и мы увидим очередные минимумы котировок нефти. Цены на неё ещё какое-то время будет лихорадить, но существенного подорожания уже не будет и конец нефтяной эры уже отчётливо просматривается в контурах ближайшего будущего.

Вот об этом будущем мне и хочется поговорить. Тем более, что выглядит оно совсем не таким безоблачным, как казалось бы на первый взгляд.

Важная деталь

XXI век уже на дворе, но мы всё ещё ползаем по разбитым дорогам на машинах с двигателем внутреннего сгорания, а не летаем на электрокарах. Роботы остаются частью сборочных конвейеров, а не нашими постоянными спутниками и помощниками в домашних делах. Да и лазерное оружие мы тоже видим только в кинотеатрах, хотя это, наверное, к лучшему.

Почти все необходимые технологии у нас уже есть, но всё электрическое остаётся привязанным к розетке и отползает от неё лишь ненадолго. Без компактного, лёгкого и недорогого аккумулятора будущее, о котором писали фантасты, не наступит.

Более того, без нового аккумулятора альтернативная энергетика (ветровая, солнечная, приливная) никогда не сможет стать по-настоящему эффективной.

Причина проста: разрыв во времени между выработкой и потреблением энергии.

Ветер дует как ему заблагорассудится, а солнечные батареи вырабатывают максимум энергии в летний полдень, тогда как максимальное её потребление приходится на долгие зимние вечера.

Если энергию не накапливать, то нужно либо строить многократно избыточные мощности по её генерации, либо компенсировать провалы за счёт традиционных источников энергии — газовых или гидроэлектростанций. И то, и другое существенно снижает выгоды от альтернативной энергетики, а то и вовсе делает её бессмысленной на большей части нашей планеты. Так что без аккумулятора нам не обойтись.

Плотность энергии

Лучшие из существующих аккумуляторов имеют очень низкую плотность энергии и очень высокую стоимость её хранения, проигрывая по этим показателям в десятки раз практически любому традиционному энергоносителю, включая дрова, торф, уголь и бензин.

Современный литий-полимерный аккумулятор способен запасать до 200 Вт⋅ч на каждый килограмм своего веса. Для сравнения, из каждого килограмма бензина можно выработать до 2917 Вт⋅ч, а из килограмма дизельного топлива до 5583 Вт⋅ч. Разница колоссальна — в 15-25 раз.

Из-за низкой плотности энергии все современные электронные гаджеты это, по сути, один большой аккумулятор с экраном и малюсенькой микросхемой, сиротливо ютящейся где-то в уголке. Посмотрите на открытый iPhone или MacBook, и вы удивитесь, как много места занимает батарея.

Самый передовой электрокар, Tesla S, тащит на себе батарею ёмкостью 85 кВт⋅ч, которая весит пол-автомобиля, стоит пол-автомобиля и которой хватает на четыреста с небольшим километров, после чего её нужно перезаряжать — полтора часа до полной зарядки или 40 минут до 80%.

Это то, что мы имеем сейчас, но прогресс не стоит на месте. Плотность энергии в батареях непрерывно растёт. Первые свинцово-кислотные батареи имели плотность энергии 30-50, никель-кадмиевые — 45-80, никель-металлгидридные — 60-120 и литиевые — 150-200 Вт⋅ч/кг.

Нужен рывок

То и дело появляются сообщения о том, что изобретена очередная, ещё более эффективная, разновидность батарей, но до промышленных образцов дело пока не дошло.

Серьёзный задел для повышения ёмкости батарей обещают пресловутые нанотехнологии и, в перспективе, из различных комбинаций лития с кремнием и углеродными нанотрубками можно выжать до 2000 Вт⋅ч/кг, то есть раз в 10 больше, чем сейчас.

С одной стороны, это очень хорошие новости. Увеличиваем ёмкость хотя бы в 5 раз — и электромобили начинают проезжать на одной подзарядке 2000 км., то есть больше, чем может выдержать за рулём водитель и время подзарядки становится не критичным.

Увеличиваем ёмкость в 10 раз — и iPhone работает на одной зарядке больше недели, как старая добрая Nokia с монохромным экраном.

Аккумулятор, способный накопить энергию на неделю обеспечения вашего дома, весит всего 20 кг — сущие пустяки.

Квадрокоптеры превращаются из игрушек в реальные средства передвижения, электромобили полностью вытесняют бензиновые, а у человекоподобных роботов, наконец, появляется шанс.

Электронные мечты

Разумеется, это не предел мечтаний. Например, плотность энергии теплового распада плутония, используемого в РИТЭГах — 611,6 млн. Вт⋅ч/кг, реакции дейтерий-тритий в перспективных термоядерных реакторах — почти 100 млрд. Вт⋅ч/кг, а плотность энергии в паре материя-антиматерия и вовсе достигает умопомрачительной цифры с двенадцатью нулями.

Это даёт надежду, на то, что рано или поздно нам удастся найти источники или аккумуляторы энергии с промежуточными плотностями энергии — в сотни и тысячи раз более ёмкие, чем сейчас. И их открытие сулит интересные перспективы.

Например, совсем неплохо было бы забыть о зарядных устройствах на весь срок службы гаджетов. Купил новый iPhone16S с уже заряженной батареей, и до выхода iPhone17 в следующем году заряда хватает. Никаких перетирающихся проводов, забытых дома зарядок и прочих «радостей». Для этого придётся увеличить ёмкость батарей «всего» в 200-300 раз.

Зато электрические авиалайнеры станут почти в два раза грузоподъёмнее, а перелёт на них будет обходиться в десяток раз дешевле, чем сегодня.

Тянуть электрические провода к коттеджным посёлкам станет бессмысленно — даже там, где места для ветряков нет, а солнечные батареи неэффективны, можно будет просто раз в год ездить на зарядную станцию — заряжать домашний аккумулятор.

Электрокосмос

Увеличение плотности энергии в 1000 раз и более перевернёт наши представления о космических полётах. Вместо топлива в баки ракет можно будет запихивать вообще всё подряд — воду, метан, углекислый газ и тупо нагревать это, создавая реактивную струю.

Для выхода на орбиту этого будет достаточно, в космосе можно использовать экономичные ионные двигатели, а запасы топлива пополнять на любой планете с атмосферой или запасами льда, что принципиально упростит колонизацию Марса и исследование планет Солнечной системы.

Ложка дёгтя

Разумеется, плотность энергии — не единственная важная характеристика аккумулятора и без них любая теоретически достижимая плотность энергии не имеет практического смысла.

Одна из важных характеристик это скорость саморазряда. За первый месяц литий-ионный аккумулятор теряет 4-6% энергии, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумулятор теряет 10-20% запасенной емкости. Сама по себе цифра потерь не грандиозна, но в случае большой ёмкости аккумулятор может самопроизвольно перегреваться в результате саморазряда.

Вторая характеристика — цена одного ватт-часа. Сейчас 1 кВт⋅ч литиевого аккумулятора обходится минимум в $300. Это много, хотя цена ватт-часа и падает примерно на 8% ежегодно. Элон Маск обещает в ближайшее время добиться примерно $125 за кВт⋅ч при массовом производстве батарей.

В случае с радиоизотопными батарейками (хоть это и не аккумуляторы) всё интереснее. Например, батарея марсохода Curiosity содержит 4,77 кг. плутония, каждый килограмм которого стоит около 1 миллиона долларов.

Зато в расчёте на ватт-час тепловой мощности при полном распаде плутония получаются смешные $0,0016. На практике, правда, у РИТЭГов очень низкий КПД и из 1 кг.

плутония удаётся получить только 35-38 Вт электрической мощности и стоимость одного ватт-часа электроэнергии оказывается в районе 10 центов.

Как граната

Самый важный вопрос использования мощных источников энергии это то, как вы ими распорядитесь. Возьмём самый банальный гаджет — смартфон: в среднем он потребляет примерно 1 Вт (от 0,1 Вт в режиме ожидания до 5 Вт при максимальной нагрузке), и на год непрерывной работы ему понадобится аккумулятор ёмкостью чуть больше 8 кВт⋅ч.

С одной стороны, это не так уж и много: такой энергии хватит на 4 часа работы мощного домашнего электрического обогревателя или 10 часов работы духовки. С другой стороны — это эквивалент почти 7 килограмм тротила — больше, чем суммарно использовалось во время терактов 2010 года в Московском метро.

При разрушении, неисправности или неправильном использовании даже литий-ионные аккумуляторы имеют неприятное свойство загораться и взрываться. А теперь представьте себе последствия падения с пятого этажа iPhone с годовым запасом энергии. Всё живое в радиусе 7-8 метров вокруг будет уничтожено.

О более мощных гаджетах и говорить нечего. Батарея ноутбука сможет сровнять с землей целый дом, а электромобиль превращается в мощный фугас на колёсах.

Вопрос национальной безопасности

Разумеется, в нашей жизни полно опасных вещей: электрические розетки вполне способны нас убить, а взрыв бытового газа разрушает целые дома и власти это не особенно беспокоит.

С другой стороны, нас считают настолько опасными, что не дают пронести в самолёт пилочку для ногтей и больше 100 мл. жидкости. Про разрешение на ношение огнестрельного оружия я уже и не говорю.

Логика простая: себя убивайте, как хотите, а других — ни-ни. И мощные аккумуляторы в эту логику не вписываются. В мире высоких энергий каждый человек будет способен взорвать смартфоном автомобиль, автомобилем — снести здание, а с помощью игрушечного квадрокоптера и батареек от фонарика — устроить самую настоящую бомбардировку.

Поэтому можно ожидать, что мощные гаджеты будут разрешены примерно в тех же странах, где сейчас разрешено огнестрельное оружие. Возможно, для получения разрешения на аккумулятор помощнее будет требоваться справка из психдиспансера, отсутствие судимостей и сертификат о прохождении курсов по безопасному обращению с батарейками.

Во всех остальных странах производство, хранение и ношение мощных батарей будет населению запрещено, насколько бы серьёзно производители не подошли к вопросу обеспечения безопасности аккумуляторов для пользователей.

Вооружён и очень опасен

Забавная получается ситуация. Для того, чтобы наконец наступило будущее из фантастических рассказов, нам нужна очень простая и понятная вещь, без которой не получится ничего — мощный источник энергии или ёмкий аккумулятор, в десятки и сотни раз превосходящий то, что мы имеем сегодня.

Вот только как его сделать — совершенно непонятно. Очевидно только, что эволюционным путём, на базе существующих технологий химических аккумуляторов можно сделать только самый первый шаг — поднять плотность энергии раз в 10, не более.

Принципиально более высоких значений плотности энергии можно добиться только используя нечто из разряда высокотемпературных сверхпроводников, LENR — низкоэнергетических ядерных реакций, термоядерного синтеза или чего-то столь же экзотического.

Всё это пока находится за пределами наших технологических возможностей, а потенциальное обладание огромной разрушительной мощью любым членом общества, включая детей, преступников и сумасшедших — за пределами наших представлений о безопасности.

Это означает, что нам предстоит пережить две революции одновременно — технологическую и социальную: научиться не только создавать сверхмощные гаджеты, но и жить рядом с ними.

Для этого имеет смысл уже сейчас как минимум начать отказываться от запретов на владение оружием и искать механизмы саморегулирования человеческих сообществ, каждый член которых вооружён и очень опасен.

Прогресс ускоряется и, возможно, нам это пригодится гораздо раньше, чем видится сейчас.

Источник: https://zhartun.me/2016/01/battery.html

Поточные аккумуляторы достигли показателей литий-ионных по плотности хранения энергии

Разработчики из Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), более чем в 2 раза увеличили плотность хранения энергии новых поточных аккумуляторов, по сравнению с разработанными ранее.

Новый аккумулятор от PNNL обещает стать массовым в автономных источниках электроснабжения, а также в электропоездах и электромобилях, в городских системах сетевого хранения электроэнергии, особенно в стесненных условиях.

В аккумуляторах используется цинк-йодидный электролит. Показатель плотности хранения энергии приблизился к литий-ионным аккумуляторам, но при этом поточные аккумуляторы имеют лучшую противопожарную безопасность.

История становления

Литий-ионные и поточные аккумуляторы были изобретены в 1970-х годах, но из-за большей плотности и простоты конструкции литий-ионные аккумуляторы стали более популярны.

Сначала литий-ионные аккумуляторы начали использоваться в портативной технике.

Позже их использовали для хранения растущих объемов возобновляемых источников энергии, вырабатываемой на ветряных и солнечных энергетических установках.

Как и в других поточных аккумуляторах, энергия хранится в двух внешних резервуарах, что позволяет легко увеличить емкость батареи (Изображение: PNNL)

Но высокие плотности хранения энергии литий-ионных аккумуляторов делают их склонными к перегреву и возгоранию. Поточные батареи напротив, хранят свои активные химические вещества отдельно, что значительно улучшает безопасность. Эта особенность вновь привлекла внимание исследователей к поточным аккумуляторам.

Конструкция

Как и другие поточные аккумуляторы, цинк-йодидные вырабатывает энергию закачивая жидкости из внешних резервуаров в реакторную ячейку, где жидкости смешиваются. Внешние емкости у нового аккумулятора PNNL содержат водные электролиты, водные растворы с растворенными химическими веществами,  хранящих химическую энергию.

Когда батарея полностью разряжена, обе емкости содержат один и тот же раствор электролита: смесь из положительно заряженных ионов цинка, Zn 2+ , и отрицательно заряженных ионов йодида, I — . Но когда когда аккумулятор заряжен, одна из ёмкостей содержит отрицательный ион, поли-йодид, I 3-.

Когда необходимо получить электроэнергию, две жидкости закачивают в центральную ячейку. Внутри ячейки ионы цинка проходят через мембрану и превращаются в металлический цинк на отрицательной стороне ячейки.

Этот процесс преобразует энергию, которая химически хранится в электролите в электроэнергию.

Для проверки возможности их новой концепции, исследователи из PNNL создали аккумулятор на лабораторном столе. Они смешивают растворы электролитов, черный цинк-поли-йодидный электролит и прозрачный цинк-йодид, подавая их из двух стеклянных флаконов, как из миниатюрных баков. Шланги соединяли между собой флаконы, насос и небольшую ячейку.

Они положили 12-Вт-ч емкость аккумулятора — сопоставимый около двух iPhone батареи — через ряд испытаний, в том числе определения того, как различные концентрации цинка и йодистого в хранилище энергии электролита влияет. Электрическая мощность измеряется в киловатт-часов; электромобили пользуются около 350 ватт-часов, чтобы проехать одну милю в городе.

Новые возможности 

Демонстрационная версия аккумулятора сохранила гораздо больше энергии для своего объема, чем наиболее часто используемые сегодня поточные аккумуляторы: цинк-метиловый и ванадиевые батареи. Цинк-поли-йодидные аккумуляторы PNNL также имели выход энергии около 70%, от показателей литий-ионных и литий-фосфат-железных аккумуляторов.

Лабораторные тесты показали, демонстрационная батарея сохраняет 167 ватт-часов на литр электролита.

Для сравнения, поточные цинк-бромидные аккумуляторы  генерируют около 70 ватт-часов на литр, ванадиевые аккумуляторы могут создать 15 — 25 ватт-часов на литр, а стандартные литий-фосфат-железные аккумуляторы около 233 ватт-часов на литр.

Теоретически,  исследователи считают, что их новый аккумулятор может хранить даже до 322 ватт-часов на литр,  если растворить ещё  больше химических веществ в электролите.

Безопасный и универсальный, но еще не идеальный

Цинк-поли-йодидный аккумулятор PNNL является безопасным, т.к. его электролит не кислота, как у большинство других поточных аккумуляторов. Почти невероятно воспламенение электролита на водной основе, он не требует дорогих материалов, выдерживающих сильное коррозионное воздействие, как в других поточных аккумуляторах.

Еще одним преимуществом аккумуляторов PNNL в том, что они могут работать в экстремальных климатических условиях. Электролит позволяет хорошо работать при температурах от -20 ºС до 50 ºС. Многие батареи имеют гораздо меньшее температурное окно и могут требовать встроенных систем подогрева и охлаждения.

Одна из проблем, с которыми столкнулись исследователи, это нарастание металлического цинка на отрицательном электроде ячейки, делая аккумуляторы менее эффективным. Исследователи уменьшают нарастания, называемые дендритами цинка, путем добавления спирта к раствору электролита.

Управление процессом образования дендритов цинка будет ключевым для широкого внедрения цинк-поли-йодидных аккумуляторов PNNL в реальном мире.

Источник: nature.com

Источник: http://www.joule-watt.com/energy-storage/potochnye-akkumulyatory-dostigli-pokazatelej-litij-ionnyh-po-plotnosti-hraneniya-energii/

Месяц без подзарядки: будущее аккумуляторных батарей

Не доживающие до конца рабочего дня смартфоны и разряжающиеся под ноль после трех-четырех часов игр планшеты, по правде говоря, надоели.

Читайте также:  Электронный коммутатор нагрузок

Мощность процессора и качество дисплея растет опережающими темпами, тогда как аккумуляторные батареи кардинально не меняются вот уже десять лет.

Тем не менее, кое-какие подвижки в развитии источников автономного питания для мобильных гаджетов все же наблюдаются..

Можно выделить три ключевые проблемы, свойственные современным батареям для мобильных гаджетов. Первая – это дисбаланс между емкостью и габаритами литий-ионных аккумуляторов. Проще говоря, чтобы смартфон работал без подзарядки не один, а два дня, его приходится оснащать значительно более крупной и увесистой батареей.

Вторая проблема – довольно быстрый износ литий-ионных аккумуляторов. В теории они приходят в негодность спустя тысячу циклов заряда-разряда.

На практике же из-за неправильных условий эксплуатации этот показатель обычно вдвое меньше. Правда, в случае смартфонов и планшетов быстрый износ не столь критичен, как для ноутбуков.

Гонясь за модой, пользователи покупают новые мобильные гаджеты раньше, чем изнашиваются батареи старых.

И наконец, третья проблема – длительное время зарядки батарей. Тут получается палка о двух концах: зарядка аккумулятора мощным током происходит быстрее, но при этом он сильнее изнашивается. Тем не менее, ученым предстоит решить все три вышеупомянутые проблемы, а инженерам – в кратчайшие сроки поставить на конвейер источники автономного питания нового типа.

Энергетическая плотность батарей

Аккумуляторы прошлого поколения (никель-кадмиевые) обладали энергетической плотностью 40 Вт*ч/кг. Это означает, что мощность типичной 50-граммовой батареи составляла всего-то 2 Вт*ч. С переходом на литий-ионную технологию энергетическая плотность аккумуляторов выросла более чем в два раза – до 100 Вт*ч/кг.

Принцип работы аккумуляторных батарей, независимо от применяемой в них технологии, довольно схож: при зарядке электрическая энергия превращается в химическую, а во время разрядки – наоборот. Энергетическая плотность аккумулятора зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита.

В большинстве Li-ion-батарей электроды выполнены на основе литиевого соединения либо графита с ионами лития. Электролит же представляет собой безводную жидкость (вязкую массу) на основе литиевых солей. Но даже здесь наука еще не сказала своего последнего слова.

Замена жидкого электролита твердым

Новейшие разработки в области литий-ионных аккумуляторов принадлежат японской компании Toyota. Речь идет о Li-ion-батареях на основе твердого вещества: электроды сделаны из графита и оксидов лития и кобальта, а твердый электролит – из сульфидов. Подобные аккумуляторы обладают рекордной энергетической плотностью – до 245 Вт*ч/кг.

Батарея Toyota с твердым электролитом

В отличие от Li-ion-батарей с жидким электролитом, батареи Toyota не страдают от перегрева, зато боятся контакта с водой, в том числе влажным воздухом.

Над решением данной проблемы инженерам Toyota еще предстоит поломать голову. Тем не менее, старт производства аккумуляторов высокой плотности для гибридных автомобилей Toyota запланирован на 2015 год.

Когда же именно данная технология перекочует на мобильные гаджеты, пока можно лишь гадать.

Увеличение площади химической реакции

Ускорить процесс зарядки батарей, а заодно и немного повысить их энергетическую плотность, можно путем наращивания площади соприкасания электродов с электролитом.

Ученые из Политехнического института Ренсселира предлагают покрывать электроды микроскопическими частицами кремния, так называемыми «наночашечками».

Конусовидные «наночашечки» способны сжиматься и растягиваться, чтобы выдерживать механические нагрузки во время поглощения и высвобождения ионов лития.

Покрытый наночастицами кремния электрод батареи Политехнического института Ренсселира

Альтернативное решение для ускорение зарядки батарей – биологическое – предлагают исследователи из Мэрилендского университета.

Они предлагают наносить на электроды трубчатые вирусы табачной мозаики (частого гостя в лабораториях по исследованию нанотехнологий) и для фиксации покрывать их тончайшим слоем металла.

То есть вирусы участия в химической реакции не принимают, а лишь служат для создания микроскопического рельефа.

«Вирусная» аккумуляторная батарея Мэрилендского университета

Переломным моментом в технологии создания аккумуляторов может стать открытие ученых из Калифорнийского университета в Риверсайде. Они нашли природный пример дешевых наночастиц – зубы панцирных моллюсков, поросшие толстым слоем кристаллов магнетита (магнитного железняка).

Кристалл магнетита – самого твердого биоматериала на планете

Замена второго электрода «кислородным»

Компания IBM в сотрудничестве с Сент-Эндрюсским университетом Шотландии спроектировала ультрасовременный литий-кислородный аккумулятор. Один из электродов, как и электролит, у него самые что ни на есть обычные, а вот второй представляет собой пустотелую углеродную мембрану.

Она-то и наполняется воздухом из окружающей среды, после чего кислород вступает в химическую реакцию с литием. Ожидается, что энергетическая плотность литий-кислородных батарей превысит в десять раз показатели традиционных Li-ion-решений.

Жаль только, что задумка IBM еще очень далека до коммерческой реализации.

Литий-кислородная батарея IBM

Новые сочетания химических веществ

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) вовсе не являются новинкой и использовать их для некоторых задач выгоднее, чем литий-ионные.

Имея сравнительно невысокую мощность, они заряжаются очень и очень быстро, что делает их подходящим решением, к примеру для авиамоделирования.

Ученые из Массачусетского технологического института, подарившего миру немало открытий, создали литий-железо-фосфатную батарею, заряжающуюся всего за одну минуту. Уже полным ходом идут разговоры о том, чтобы начать применять LiFePO4-батареи еще и в мобильных гаджетах.

Литий-железо-фосфатная батарея

Меньше и тоньше

Увеличение энергетической плотности аккумуляторов, а также ускорение из зарядки, позволит создавать крохотные и, что не менее важно, утонченные батареи, например для носимых электронных гаджетов: умных наручных часов, очков дополненной реальности, а затем и аналогичных контактных линз.

Гибкая батарея из целлюлозы SoftBattery

Тончайшая реально существующая в данный момент батарея – дело рук инженеров из японского научно-исследовательского центра AMIC. Ее толщина составляет всего полмиллиметра. Находчивые японцы планируют размещать столь утонченные аккумуляторы на тыльной стороне солнечных батарей и дисплеев электронных книг.

Полумиллиметровая батарея AMIC

Выводы

По всей видимости, ждать двух- или даже трехкратного прироста емкости аккумуляторов для мобильных гаджетов осталось совсем не долго – лет пять. Тогда как столь желанный десятикратный прирост станет реальностью не раньше чем в 2020-х.

Правда, это не означает, что мобильные гаджеты будут работать дольше. Производители электроники вряд ли не поддадутся искушению сделать их еще тоньше. То есть энергетическая плотность батарей вырастет, но из-за существенного уменьшения размеров время автономной работы останется прежним. Как говорится, мода требует жертв.

Источник: https://itc.ua/articles/mesyats-bez-podzaryadki-budushhee-akkumulyatornyih-batarey/

В 30 раз меньше, в 1000 раз быстрее — ученые создали идеальный аккумулятор

Исследователи из Университета Иллинойса разработали новую технологию литий-ионных батарей, которые в 2000 раз мощнее сопоставимых аналогов. По словам учёных, это не просто очередной шаг в эволюционном развитии батарей, а «абсолютно новая технология, которая ломает привычную парадигму источников питания».

На текущий момент хранение энергии – это вопрос компромиссов. Вы можете иметь много мощности (ватт), или много энергии (ватт-часов), но не того и другого одновременно. Суперконденсаторы могут отдавать огромные количества энергии, но только в течение нескольких секунд, топливные элементы могут запасать большие её количества, но ограничены в своей пиковой отдаче.

И это является проблемой, поскольку большинство образцов современной передовой электроники – смартфоны, носимые компьютеры, электромобили – требуют больших объёмов и энергии и мощности.

Литий-ионные батареи на текущий момент представляют собой лучшее соотношение этих параметров, но даже наиболее продвинутые литий-ионные батареи требуют от промышленных дизайнеров и инженеров серьёзных компромиссов при создании новых устройств.

И вот теперь у нас есть новая батарея из Университета Иллинойса, которая подобно суперконденсатору имеет высокую удельную мощность, и в то же время сравнимую с современными никель-цинковыми и литий-ионными батареями плотность энергии.

По данным опубликованного университетом пресс-релиза, новая батарея позволяет беспроводным устройствам транслировать свой сигнал в 30 раз дальше – или, что возможно даже более полезно, работать от батареи, которая в 30 раз меньше.

Вдобавок ко всему, новая батарея является перезаряжаемой – и заряжается в 1000 раз быстрее традиционных литий-ионных аккумуляторов.

Этот технологический прорыв стал возможен благодаря новой структуре анода и катода, разработанной исследователями Университета Иллинойса.

Вкратце, стандартная литий-ионная батарея обычно имеет твёрдый двумерный анод из графита и катод из литиевой соли. Новая же батарея имеет пористые трёхмерные анод и катод.

Чтобы создать эту новую структуру электродов, исследователи закрепили слой пенопласта на стеклянном субстрате, а затем электролитическим способом нанесли слой никеля на пенопласт, никель-оловянный сплав на анод и диоксид марганца на катод. Приведённая выше схема поясняет детали этого процесса.

Как следствие, эти пористые электроды имеют огромную площадь поверхности, позволяющую большее количество химических реакций на единицу объёма, результатом чего стал чрезвычайно крупный прирост в скорости разряда (выходной мощности) и времени зарядки.

Учёным уже удалось создать с помощью этой технологии микробатарейку размером с пуговицу, и на приведённом ниже графике вы можете видеть её характеристики по сравнению с традиционным элементом Sony CR1620. Плотность энергии нового элемента чуть меньше, но удельная мощность в 2000 раз больше.

На другом конце спектра – повышенная плотность энергии, но низкая удельная мощность – лидирует литий-воздушная батарея от IBM.

В реальном применение эта технология может позволить оснащать потребительские устройства гораздо более миниатюрными и лёгкими батареями – представьте себе смартфон с аккумулятором толщиной с кредитку, который заряжается за несколько секунд.

За пределами потребительской технологии она также найдёт себе множество применений – например в высокомощных лазерах и медицинских устройствах, а также других областях, где традиционно применяются суперконденсаторы, например — в болидах Formula 1 и быстрозаряжающихся силовых инструментах.

Но для того, чтобы это произошло, Университету Иллинойса надо сперва доказать, что их технология масштабируется до более крупных типоразмеров, и что процесс производства не слишком дорог для коммерческого применения. Мы будем надеяться на лучшее.

Источник: 

Источник: http://www.hackfaq.net/news/new_liteon_battery/

Перспективные технологии для аккумуляторов будущего

Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает. Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы.

Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью.

Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.

Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора.

Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков.

Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.

Идет ли речь об электромобиле или мобильных устройствах, универсальные требования к аккумулятору будущего очевидны – он должен быть меньше, легче и накапливать значительно больше энергии. Какие перспективные разработки в этой области могут удовлетворить данные требования?

Литий-ионные и литиево-полимерные батареи

Литий-ионный аккумулятор фотоаппарата

На сегодняшний день в мобильных устройствах наибольшее распространение получили литий-ионные и литиево-полимерные батареи. Что касается литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion), то они производятся еще с начала 90-х годов.

Их главное преимущество – достаточно высокая энергетическая плотность, то есть способность сохранять определенный объем энергии на одну единицу массы. Кроме того, в таких батареях отсутствует пресловутый «эффект памяти» и имеется сравнительно низкий саморазряд.

Использование лития вполне обоснованно, ведь этот элемент обладает высоким электрохимическим потенциалом.

Недостатком всех литиево-ионных батарей, коих на самом деле в настоящее время насчитывается большое количество видов, является достаточно быстрое старение аккумулятора, то есть резкое снижение характеристик при хранении или длительном использовании батареи. К тому же, потенциал емкости современных литий-ионных батарей, судя по всему, уже практически исчерпан.

Дальнейшим развитием литий-ионной технологии являются литиево-полимерные источники питания (Li-Pol). В них вместо жидкого электролита используется твердый материал. В сравнении со своим предшественником, литиево-полимерные батареи имеют более высокую энергетическую плотность.

Вдобавок, теперь стало возможным производить батареи практически в любой форме (литий-ионная технология требовала только цилиндрической или прямоугольной формы корпуса).

Такие батареи обладают небольшими габаритами, что позволяет с успехом применять их в различных мобильных устройствах.

Однако появление литиево-полимерных батарей кардинальным образом не изменило ситуацию, в частности, потому, что такие батареи не способны отдавать большие токи разряда, а их удельная емкость все же недостаточна, чтобы избавить человечество от необходимости постоянной подзарядки мобильных устройств. Плюс ко всему, литиево-полимерные аккумуляторы довольно «капризны» в эксплуатации, они имеют недостаточную прочность  и склонность к возгоранию.

Перспективные технологии

В последние годы ученые и исследователи в различных странах активно работают над созданием более совершенных технологий аккумуляторных батарей, способных уже в ближайшем будущем прийти на смену существующим. В этом плане можно выделить несколько наиболее перспективных направлений:

— Литий-серные батареи (Li-S)

Литий-серный аккумулятор – перспективная технология, энергоемкость подобной батареи в два раза выше, чем у литий-ионных. Но в теории она может быть еще выше. В таком источнике питания используется жидкий катод с содержанием серы, при этом он отделен от электролита особой мембраной.

Именно за счет взаимодействия литиевого анода и серосодержащего катода была существенно увеличена удельная емкость. Первый образец подобного аккумулятора появился еще в 2004 году.

С того момента был достигнут определенный прогресс, благодаря чему усовершенствованный литий-серный аккумулятор способен выдерживать полторы тысячи циклов полной зарядки-разрядки без серьезных потерь в емкости.

К преимуществам данного аккумулятора также можно отнести возможность применения в широком диапазоне температур, отсутствие необходимости в использовании усиленных компонентов защиты  и сравнительно низкую себестоимость.

Интересный факт – именно благодаря применению такого аккумулятора в 2008 году был поставлен рекорд по продолжительности полета на воздушном судне на солнечных батареях. Но для массового выпуска литиево-серного аккумулятора ученым еще придется решить две основные проблемы.

Требуется найти эффективный способ утилизации серы, а также обеспечить стабильную работу источника питания в условиях смены температурного или влажностного режима.

— Магниево-серные батареи (Mg/S)

Обойти традиционные литиевые батареи могут и аккумуляторы, базирующиеся на соединении магния и серы. Правда, до последнего времени никто не мог обеспечить взаимодействие этих элементов в одной ячейке.

Сам магниево-серный аккумулятор выглядит очень интересным, ведь его энергетическая плотность может доходить до более чем 4000 Вт-ч/л. Не так давно благодаря американским исследователям, по всей видимости, удалось решить основную проблему, стоящую на пути разработки магниево-серных батарей.

Дело в том, что для пары магний и сера не было никакого подходящего электролита, совместимого с этими химическими элементами.

Однако ученые сумели создать такой приемлемый электролит за счет образования особых кристаллических частиц, обеспечивающих стабилизацию электролита. Образец магниево-серного аккумулятора включает в себя анод из магния, сепаратор, катод из серы и новый электролит. Впрочем, это только первый шаг. Перспективный образец, к сожалению, пока не отличается долговечностью.

— Фторид-ионные батареи

Еще один интересный источник питания, появившийся в последние годы. Здесь за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. При этом анод и катод содержат металлы, преобразующиеся (в соответствии с направлением тока) во фториды, либо восстанавливающиеся обратно.

Благодаря этому обеспечивается значительная емкость батареи.  Ученые заявляют, такие источники питания имеют энергетическую плотность, в десятки раз превосходящую возможности литий-ионных батареек.

Помимо значительной емкости, новые аккумуляторы также могут похвастаться существенно меньшей пожароопасностью.

На роль основы твердого электролита было перепробовано множество вариантов, но выбор, в конечном счете, остановился на лантане бария.

Хотя фторид-ионная технология кажется очень перспективным решением, она не лишена недостатков. Ведь твердый электролит может стабильно функционировать лишь при высоких температурах.

Читайте также:  Комбинированный регулятор мощности

Поэтому перед исследователями стоит задача отыскать жидкий электролит, способный успешно работать при обычной комнатной температуре.

— Литий-воздушные батареи (Li-O2)

В наши дни человечество стремится к использованию более «чистых» источников энергии, связанных с генерацией энергии солнца, ветра или воды. В этом плане очень интересными представляются литий-воздушные батареи.

В первую очередь, они рассматриваются многими экспертами в качестве будущего электромобилей, но с течением времени могут найти применение и в мобильных устройствах. Такие источники питания обладают очень высокой емкостью и при этом сравнительно малыми размерами.

Принцип их работы следующий: вместо оксидов металла в позитивном электроде применяется углерод, который вступает в химическую реакцию с воздухом, в результате чего создается ток. То есть для выработки энергии здесь частично используется кислород.

Использование кислорода в качестве активного материала катода имеет свои существенные преимущества, ведь он является практически неисчерпаемым элементом, а самое главное, абсолютно бесплатно берется из окружающей среды.

Считается, что плотность энергии у литий-воздушных батарей сможет достигать впечатляющей отметки в 10 000 Втч/кг. Может быть, в недалеком будущем подобные батареи смогут поставить электромобили в один ряд с машинами на бензиновом двигателе.

Кстати, аккумуляторы подобного типа, выпущенные для мобильных гаджетов, уже можно встретить в продаже под названием PolyPlus.

— Литий-нанофосфатные батареи

Литий-нанофосфатные источники питания – это следующее поколение литиево-ионных батареек, которые характеризуются высокой отдачей тока и сверхбыстрой зарядкой. Для полной зарядки такой батареи требуется всего пятнадцать минут.

Они также допускают в десять раз больше циклов зарядки в сравнении со стандартными литий-ионными элементами.

Таких характеристик удалось добиться благодаря использованию особых наночастиц, способных  обеспечить более интенсивный поток ионов.

К достоинствам литий-нанофосфатных батарей можно отнести также слабый саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и способность работать в условиях широкого диапазона температур.

Литий-нанофосфатные батареи уже доступны в продаже и применяются для некоторых типов устройств, однако их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес в сравнении с современными литий-ионными или литийево-полимерными аккумуляторами.

В действительности, перспективных технологий в области создания аккумуляторных батарей гораздо больше. Ученые и исследователи работают не только над созданием принципиально новых решений, но и над улучшением характеристик существующих литий-ионных батареек.

Например, за счет использования кремниевых нанопроводов или разработки нового электрода, обладающего уникальной способностью к «самозаживлению».

В любом случае уже не за горами тот день, когда наши телефоны и другие мобильные устройства будут жить целые недели без подзарядки.

Источник: http://www.fotokomok.ru/perspektivnye-texnologii-dlya-akkumulyatorov-budushhego/

ОБЗОР: Самые популярные типы аккумуляторов. Часть 2

  • Статьи
  • ОБЗОР: Самые популярные типы аккумуляторов. Часть 2

Самые популярные типы аккумуляторов.

Часть 1
    В аккумуляторах типа Li-Ion используется отрицательный электрод из углерода и литированный оксид кобальта в качестве активного материала.

Заряд и разряд происходит в результате переноса ионов лития от электрода к электроду. Отсюда и название – литий-ионный аккумулятор.  

Применение

Li-Ion — это идеальный аккумулятор для всех мобильных устройств:

  • ноутбуков;
  • сотовых телефонов;
  • видеокамер;
  • КПК;
  • других гаджетов.

 
Одной из важных для пользователя характеристик Li-Ion является отсутствие эффекта памяти. Зарядку можно осуществлять в нужное время, невзирая на степень разрядки аккумулятора. Работоспособность они сохраняют при температурном режиме от -20 до +60 °С, хотя уже созданы источники питания, работающие при температуре -40 градусов. Для хранения аккумулятором нужно использовать сухие помещения с температурой воздуха до 20 градусов. Очень часто подобный тип можно купить как аккумулятор 18650.  

Особенности аккумуляторов Li-Ion

Отличные рабочие характеристики этих аккумуляторов позволили им существенно потеснить на рынке элементы питания с кадмием, несмотря на то, что те гарантируют большие токи при разряде. Поскольку последнее свойство не так уж важно для мобильных устройств, почти 80% рынка в данном сегменте заняли Li-Ion аккумуляторы, и доля их продолжает расти.

Преимущества
Среди основных плюсов литий-ионных аккумуляторов нужно отметить:

  • высокие показатели энергоемкости;
  • от 1000 до 1500 циклов заряда и разряда;
  • рабочее напряжение от 3,5 до 3,7В;
  • работоспособность при токах от 2 до 20С в разных моделях;
  • потерю емкости не более 20% в год;
  • полную герметичность и безопасность;
  • долговечность и надежность.

Недостатки
Есть у данного типа аккумуляторов и минусы:

  • если аккумулятор просто хранится в течение двух лет, то его емкость существенно снизится;
  • аккумуляторы не переносят заряда выше 4,2V и разряда ниже 2,5V, поэтому в них встраивают специальные защитные платы;
  • большинство производителей мобильных устройств используют не унифицированные аккумуляторы. Для каждого устройства придется покупать «родной» источник питания.


Li-Pol (литий-полимерные аккумуляторы) на данный момент являются самыми совершенными источниками питания. Принцип их действия основан на способности полимеров приобретать свойства полупроводников при воздействии на них ионами электролита.

Существует три вида аккумуляторов с полимерным электролитом:

  • сухие полимерные;
  • гель-полимерные;
  • с пористой матрицей из полимера, заполненной неводным раствором солей лития.

Все они дают большую плотность тока и работоспособны при минусовых температурах.

Применение

Аккумуляторы этого типа используются:

  • в портативных устройствах и гаджетах;
  • в электрическом транспорте;
  • в электромобилях, велосипедах и скутерах;
  • в электрическом оборудовании.

  Установка плоских и легких литий-полимерных батарей увеличивает время работы электродвигателей и уменьшает вес оборудования.  

Эффект памяти и температурный диапазон

У литий-полимерных аккумуляторов нет эффекта памяти. Они сохраняют работоспособность при температуре воздуха в пределах от 20 градусов мороза до 60 градусов тепла. Правда емкость батарей при минусовой температуре снижается. Поэтому для хранения аккумуляторов Li-Pol следует использовать сухие помещения с прохладной температурой.

Особенности

Характерные черты данного типа аккумуляторов:

  • небольшой вес и размер;
  • высокая устойчивость к вибрации и перезаряду;
  • аккумуляторам Li-Pol нужен специфический режим зарядки. Процесс занимает 5 часов и требует напряжения, не превышающего 4,2V. Это необходимо для предовращения окислительных реакций, которые сокращают срок службы аккумуляторов;
  • корпуса батарей делают из металлизированных полимеров.


Преимущества:

  • Li-Pol аккумуляторы обладают низким внутренним сопротивлением, поэтому разряд при токе до 10С идет без потери емкости;
  • плотность энергии на единицу объёма/ массы у Li-Pol соответственно в 2,5 и 4 раза выше, чем у литий-ионных, NiCd и NiMH батарей;
  • аккумуляторы выдерживают от 500 до 800 циклов зарядки и разрядки.


Минусы литий-полимерных аккумуляторов
Есть у литий-полимерных аккумуляторов и недостатки:

  • ионная проводимость полимерного электролита значительно снижается при отрицательных температурах. Поэтому исследования ведутся по пути создания электролитов, которые сохраняют работоспособность при большем интервале температур;
  • при зарядке Li-Pol нужен балансировочный разъем для контроля напряжения на каждом элементе;
  • они взрыво- и пожароопасные;
  • боятся механических повреждений;
  • применение интеллектуального зарядного устройства снизит вероятность возгорания и перезаряда батареи.

 
Аккумуляторы Li-FePo4 созданы около двух десятков лет назад, но лишь в 2003 г. разработка нашла промышленное применение. Производители заинтересовались новым видом аккумулятора, оценив его преимущества и надежность, а также множество уникальных свойств и достоинств.  

Принцип работы Li-FePo4

В производстве Li-FePo4 применяется нанофосфатная технология. Принцип действия аккумуляторов основан на обратимости химических реакций. Прохождение электрического тока в направлении, противоположном его движению при разряде, заново заряжает аккумулятор.

  Для Li-FePo4 характерно рекордное количество циклов зарядки-разрядки. В лабораторных условиях оно составляет около 5000, а основные производители данного типа аккумуляторов гарантируют не менее 2000 циклов полной разрядки и зарядки.

 

Использование Li-FePo4

Этот вид аккумуляторов применяется:

  • для питания электротранспорта;
  • в электроснабжении производственного оборудования большой мощности;
  • для автономного бесперебойного электроснабжения объектов;
  • в новом поколении электроинструментов.

  Миниатюрные аккумуляторы небольшой мощности незаменимы для авиамоделей, страйкбола, компактных электроинструментов.
Преимущества
КПД аккумуляторов Li-FePo4 равен 94%. Они компактны, надежны, экономичны, обладают отменными зарядными характеристиками, высокой мощностью и глубиной разряда, дают большую плотность энергии.
Основные достоинства:

  • в отличие от никелевых и свинцовых аккумуляторов, Li-FePo4 не свойственен эффект памяти. Их емкость не уменьшается при зарядке не полностью разряженного аккумулятора;
  • для Li-FePo4 температура от -10 до 60 градусов является оптимальным диапазоном. Жара и холод не влияют на их работу;
  • данный тип аккумулятора признан самым пожаро- и взрывобезопасным;
  • масса аккумуляторов Li-FePo4 в 3-4 раза меньше других типов аккумуляторов аналогичной мощности;
  • они эффективны, просты в эксплуатации, сверхнадежны, быстро подзаряжаются и защищены от полной разрядки.

 
Минусы аккумуляторов Li-FePo4:

  • чтобы зарядить его вам понадобится специальное зарядное устройство;
  • стоят они пока еще дорого;
  • у них ограниченные формфакторы, особенно в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами;
  • по емкости они уступают Li-Pol того же размера.

Итак, в данном обзоре мы рассказали о самых распространенных и перспективных типах аккумуляторов. А выбор за вами!

Источник: https://pbsvyaz.ru/first_blog/obzor-samye-populjarnye-tipy-akkumuljatorov-chast-2/

Правильная зарядка литий-полимерных аккумуляторов

27.09.2016

Литиево-полимерными аккумуляторами оснащаются практически все современные электронные гаджеты. Широкое применение они нашли на летающих радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, вертолетах и самолетах. У литий-полимерных аккумуляторов есть немало преимуществ, в том числе – высокая плотность энергии, низкий саморазряд и отсутствие так называемого «эффекта памяти».

В результате для моделей с силовыми электроагрегатами Li Pol батарее практически не существует достойной альтернативы. Следует ожидать, что они будут применяться все более широко, особенно в таких областях, как непилотируемые летательные аппараты, электромобили и т.п.

Несмотря на все преимущества, LiPol батареи имеют репутацию капризных, опасных и маложивущих источников питания. На самом деле, эти недостатки несколько преувеличены. Если их правильно использовать, проблемы будут сведены к минимуму.

Правила зарядки

Для того чтобы в эксплуатации источника питания не возникало проблем, необходимо правильно заряжать LiPo батареи. В противном случае велик риск их повреждения и даже самовозгорания. Рассмотрим, как правильно зарядить литий полимерный аккумулятор, чтобы избежать возможных проблем:

  • Зарядить LiPo аккумулятор любым ЗУ не получится, для этого требуются специальные зарядные устройства. Связано это с особенностями двухфазного процесса зарядки.
  • Зарядка аккумуляторов Li Pol проходит в две фазы (метод CC-CV). На первой стадии напряжение на всех банках АКБ возрастает. К окончанию фазы оно достигает 4,2 Вольт. По сути, к этому моменту зарядка Li Pol аккумуляторов достигает 95%. Дальше начинается вторая фаза. Для недопущения перезаряда, губительного для литий-полимерной АКБ, ток снижается. В случае превышения напряжения более 4,25 Вольт увеличивается риск самовозгорания.
  • Не рекомендуется допускать полной разрядки источника питания, перед повторной зарядкой в нем должно оставаться около 10-20%, иначе он быстро выйдет из строя.
  • Важно следить, чтобы напряжение не падало ниже 3 Вольт на каждой банке. При таком снижении показателей напряжения велик риск того, что батарея может вздуться. При этом вздувшийся LiPo аккумулятор потеряет более 50% своей емкости. Если вздулась LiPo батарея, ее останется только выбросить – потеря емкости необратима.

То, что литий-полимерные источники питания вздуваются, является одной из серьезных проблем их эксплуатации. Все банки должны заряжаться и разряжаться равномерно.

При этом зарядное устройство для литий полимерных батарей отслеживает только суммарное напряжение, но при большом разбросе показателей вероятность того, что LiPo аккумулятор вздулся увеличивается в разы.

Также это приводит к перезаряду отдельных банок, увеличению риска самовозгорания.

Для решения этой проблемы зарядку Li Pol батарей необходимо выполнять с использованием балансира, который способен отслеживать напряжение на каждой банке, либо ЗУ со встроенным балансиром.

Не заряжайте источник питания ЗУ с таймером. Если ток будет недостаточным, ЗУ отключится, не зарядив его полностью. Ток заряда не должен превышать 1С и быть меньше 0,5 С.

Также нужно помнить, что чем больше емкость LiPo аккумулятора, тем дольше он будет заряжаться.

Эксплуатация

Для того чтобы продлить срок службы Li Pol устройств или, как минимум, не сократить его, важна и правильная эксплуатация аккумуляторов. Когда мы заряжаем источник питания, нельзя допускать его нагрева выше 60 градусов. Если нагрев все же произошел, прежде чем использовать батарею, ей нужно дать остыть. Также нельзя и ставить на зарядку перегревшийся накопитель.

На хранение нельзя оставлять полностью разряженную АКБ. Обязательно зарядите ее. Самые оптимальные показатели – 60%. В целом, при соблюдении этих несложных правил, проблем с использованием литий-полимерных батарей не возникает.

← Учимся управлять коптером Режим работы магазина в праздничные дни →

Источник: https://www.rc-russia.ru/blog/kak-pravilno-zaryazhat-litij-polimernye-akkumulyatory

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы: маркетинговые уловки и распространенные ошибки

Неоднократно сталкиваюсь в статьях и комментариях (в статьях все же гораздо реже) с использованием неправильных данных или названий, которые впоследствии приводятся, как аргументы, хотя на самом деле они ошибочны изначально. И эти ошибки распространяются по всем ресурсам, включая Гиктаймс. Этой статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.

Литий-полимерные аккумуляторы

Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова.

В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи.

Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.

Немного истории

Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше.

Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный.

Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.

Фактически снижение количества ресурсов, выделяемых компаниями на разработку твердых электролитов, произошло в начале 1990-х, когда Sony вывела на рынок аккумулятор с жидким электролитом. Сама компания Sony еще в 1988 году была уверена в будущем успехе твердого электролита.

Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты.

Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидким электролитом.

Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:

Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO2 и графитовым анодом из Википедии на немецком языке.

Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.

Что же представлено на рынке?

Одним из способов классификации аккумуляторов является его корпус. На сегодня существуют три популярных способа упаковки:

– Цилиндрические ячейки
– Призматические ячейки
– «Мешочек» или pouch-bag ячейки

Первый тип аккумуляторов известен своим использованием в ноутбуках и автомобилях Тесла (там используется его самый распространенный размер 18650).

Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.

Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.

Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».

Читайте также:  Работа с дисплеем lph8731-3c от телефонов siemens

Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.

Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.

Проблемы терминологии

При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества.

Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные.

Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.

Будущее полимерных электролитов

Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.

Проблемы с наименованием типов аккумуляторов

На рынке представлено несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов. Они имеют различные наименования, которые позволяют описывать их характеристики в плане емкости или безопасности. В целом можно встретить следующие типы:

Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2 — самые емкие модели имеют графитовый анод.


Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn2O4, Li2MnO3 или LMnO, последние могут выступать как просто литий-марганцовые
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO2
Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO4 (LFP)
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с катодом LiNiCoAlO2
Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li4Ti5O12

Сразу можно заметить неравномерность наименований. Некоторые названы в честь катода, некоторые — в честь анода. И если в первом случае еще можно попытаться угадать с высокой степенью вероятности, что анод будет графитовый, то в случае названия по аноду остается только гадать.

Также на сегодня ведутся разработки и в принципе можно найти на рынке аккумулятор с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12, т.е.

литий-железо-фосфатные литий-титанатовые, которые в этой системе не имеют простого маркетингового наименования По ссылке — научная статья 2013 года с испытаниями такого аккумулятора.

Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность.

Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):

Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник

Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник

Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник

Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:

Изображения взято из курса лекций

Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.

Распространенные ошибки

Общие ошибки

Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.

Вторая ошибка, не столь существенная, связанная с предыдущим пунктом, написание материала катода LiFePO4 следующим образом — LiFePo4. Здесь путаница довольно распространенная и сразу показывает, насколько можно доверять такому источнику.

Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения.

Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом.

Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)».

Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.

Например, по этой ссылке можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).

Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б

Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже.

Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом.

В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.

Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях.

Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.

Что же касается главного преимущества — бóльшего числа циклов, то если брать новые исследования и сравнивать в равных условиях серийные образцы, то разница не такая и драматическая.

В общей сложности она составляет 20-30% (800 циклов против 1000 для 40°C, например), что не всегда оправдывает покупку того же LFP, так как будет передано меньше энергии за счет меньшей разницы напряжений за весь срок эксплуатации.

Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Источник: geektimes.ru

Источник: https://cosmos.mirtesen.ru/blog/43800292005

Аккумулятор как источник энергии

Существует несколько видов аккумуляторов. Самыми распространенными и наиболее часто используемыми на судах являются свинцово-кислотные аккумуляторы.

 Менее распространены никель-кадмиевые (NiCad) батареи, которые еще часто можно встретить в старых системах аварийного энергоснабжения.

Сложный метод зарядки, и низкая экологичность делают эти батареи непригодными для использования в судовых системах.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Аккумулятор – это устройство, преобразующее электроэнергию в химическую энергию. Эта энергия может быть преобразована обратно в постоянный электрический ток для питания потребителей. Батарея состоит из нескольких элементов с напряжением 2 В каждый.

12 В батарея состоит из шести элементов, соединенных последовательно и размещенных в одном корпусе. Для получения напряжения 24 В две 12 В батареи соединяются последовательно.

Каждый элемент содержит положительные пластины из диоксида свинца и отрицательные пластины из свинца погруженные в электролит, состоящий из воды и серной кислоты. Все эти компоненты образуют аккумуляторный элемент с напряжением 2 В.

При разрядке окись свинца на пластинах преобразуется в сульфат свинца. Концентрация кислоты уменьшается, потому что серная кислота расходуется при этой реакции.

 Чтобы зарядить батарею, необходимо подключить к ней внешний источник энергии (например зарядное устройство) с напряжением приблизительно 2,38 В на каждый элемент. Сульфат свинца при этом превращается назад в окись свинца, а концентрация серной кислоты повышается.

Для напряжения заряда установлены пределы, позволяющие предотвратить чрезмерное выделение водорода. Напряжение заряда больше 2,4 В на элемент приводит к интенсивному выделению водорода, образующему очень взрывоопасную смесь в контакте с кислородом воздуха.

Верхний предел зарядного напряжения при 250C для 12 вольтовой батареи составляет 14,25 В, а для 24-вольтовой – 28,5 В. В таблице показана зависимость между уровнем заряда батареи и относительной плотностью электролита (воды/серной кислоты):

Процент зарядки Напряжение на батарее Относительная плотность Процент разрядки
0% 11,64 В 1.100 100%
20% 11,88 В 1.140 80%
40% 12,09 В 1.175 60%
60% 12,30 В 1.210 40%
80% 12,51 В 1.245 20%
100% 12,72 В 1.280 0%

Различные типы батарей, отличающиеся толщиной и числом пластин на элемент, имеют различное применение. Максимальный ток батареи определяется полной площадью пластин. Количество циклов зарядки/разрядки зависит от толщины пластин. В корпусе батареи определенного размера и веса может находиться либо много тонких пластин, либо небольшое количество толстых. 

Стартертный аккумулятор

Элементы стартерного аккумулятора содержат много тонких пластин, общая площадь которых очень велика. Поэтому аккумулятор этого типа может обеспечивать высокий ток за небольшой промежуток времени. Полностью разряжать стартерную батарею можно приблизительно 50 раз.

Однако, поскольку при запуске двигателя используется только малая часть запасенной энергии (приблизительно 0,01%), эта батарея может работать многие годы. Аккумуляторы этого типа непригодны для циклического использования (например, в качестве сервисной батареи).

Полутяговые батареи

Элементы полутяговой батареи содержат меньше пластин, однако, эти пластины более толстые. Эти батареи обеспечивают меньший ток стартера, но выдерживают больше циклов полной разрядки/зарядки (от 200 до 500). Аккумуляторы этого типа пригодны для выполнения комбинированных функций. Они могут использоваться как батареи стартера и как сервисные батареи.

Тяговые батареи

У аккумуляторов этого типа пластин еще меньше, но они очень толстые. Могут использоваться как плоские, так и цилиндрические пластины. Эти аккумуляторы можно полностью разряжать много раз (около 1000 полных циклов). Поэтому тяговые аккумуляторные батареи часто используются в маломощном электрооборудовании в грузоподъемниках, в промышленных чистящих машинах и т. д.

Для тяговых аккумуляторов требуется использовать специальный метод зарядки. Высокие корпуса делают их чувствительными к накоплению серной кислоты в нижней части батареи. Это явление, называемое стратификацией (расслоением), происходит потому, что плотность серной кислоты больше плотности воды.

Концентрация кислоты увеличивается в нижней части батареи, усиливая локальную коррозию пластин, и уменьшается в верхней части, снижая емкость. Это приводит к неравномерной разрядке батареи и значительно уменьшает срок ее службы. Чтобы распределить кислоту равномерно, батарея должна быть преднамеренно перегружена с использованием повышенного напряжения.

Перегрузка приводит к выделению большого объема водорода, который в смеси с кислородом воздуха образует взрывоопасную смесь. Для зарядки этих аккумуляторов используется напряжение, составляющее приблизительно 2,7 В на элемент или 16,2 В для 12-вольтовых систем и 32,4 В для 24-вольтовых.

Эти высокие напряжения очень опасны для подключенного оборудования, а большой объем выделяемого газа делает эти батареи непригодными для использования на борту судов.

Литий-ионные аккумуляторы

До сих пор литий-ионные аккумуляторы использовались в основном в виде батарей малой емкости для мобильных телефонов и ноутбуков. Теперь Mastervolt предлагает литий-ионные аккумуляторы с большими емкостями.

Наши литий-ионные батареи отличаются высокой плотностью энергии и прекрасно подходят для циклических режимов работы.

По сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями эти аккумуляторы обеспечивают экономию до 70% в объеме и весе, в то время как число циклов зарядки/разрядки у них в три раза больше. Еще одно преимущество состоит в том, что емкость литий-ионных батарей не зависит от подключенной нагрузки.

Емкость же свинцово-кислотных аккумуляторов уменьшается при больших токах разряда. Литий-ионные батареи могут быть разряжены на 80% без сокращения срока службы, тогда как свинцово-кислотные батареи более чувствительны к глубоким разрядам и допускают разрядку только до 50% доступной емкости. 

Литий-ионные аккумуляторы намного превосходят также никель-кадмиевые аккумуляторы в отношении удельной мощности и срока службы. Кроме того, литий-ионные батареи отличаются малым весом, поскольку литий – самый легкий металл.

Они могут также заряжаться в любое время, в то время как никель-кадмиевые батареи требуют полного разряда для обеспечения оптимальной работы и предотвращения эффекта памяти.

И наконец, литий-ионные батареи могут обеспечивать очень высокий ток, численно равный до 100% емкости, заряжаются за очень короткое время и не имеют эффекта памяти.

Литий-ионные аккумуляторные батареи могут заряжаться много раз, но не бесконечно. Недостатком этих батарей является естественный дисбаланс между элементами. В результате этого дисбаланса в процессе зарядки некоторые элементы быстро достигают максимального уровня заряда, в то время как другие не успевают полностью зарядиться.

Последние элементы затем разряжаются быстрее, приводя к преждевременному отключению батареи из-за понижения напряжения. В результате срок службы батареи уменьшается.

Для устранения этой проблемы литий-ионные батареи Mastervolt оборудованы системой управления элементами (Cell Management System), которая автоматически компенсирует за дисбаланс между элементами и увеличивает срок их службы.

Источник: http://mvr.ru/articles/akkumulyator-kak-istochnik-energii

ликбез по аккумам

?Дмитрий Радищев (dibr) wrote,
2007-11-28 23:44:00Дмитрий Радищев
dibr
2007-11-28 23:44:00     Небольшой ликбез по аккумуляторам – мало ли, может кому пригодится 🙂 Не только по “материалам прессы” (не со всеми утверждениями “из учебников” я готов согласиться, некоторые прямо противоречат моему опыту), но и по своим личным впечатлениям и ощущениям от использования.

     Среди “вторичных (перезаряжаемых) ХИТ” [классификация] сейчас наиболее распространены три вида аккумуляторов: “литиевые”, “никелевые”, и “свинцовые” (название условное, поскольку в каждой группе существует более одного вида). Остановимся поочередно поподробнее.

     1. “Литиевые”, и их наиболее частый представитель – “литий-ионный аккумулятор”. Несомненно, наиболее популярный в портативной электронике (кроме фонариков и приёмников), и не зря.

     Наилучшее отношение “энергия/масса”, что важно для портативной техники (“энергия/объем”, впрочем, близки к NiMH). Ничтожно малый саморазряд – потеря емкости за месяцы хранения обычно незаметна. Неплохая разрядная характеристика – пологая, с крутым “загибом” вниз в конце. При использовании без нарушений правил эксплуатации – живут долго и счастливо, кратковременные нарушения в принципе выдерживают, хотя и не любят. Литература часто утверждает, что “срок жизни” литиевого аккумулятора ограничен парой лет, независимо от того, используется он или лежит на полке – но мой опыт этому противоречит: у меня “в кладовке” есть аккумуляторы нескольколетней давности, сохранившие при этом бОльшую часть емкости.

     Вопреки распространенному мнению о сложности “наколенной” сборки “корректного” зарядника для литиевых аккумуляторов, на практике всё строго наоборот: “корректный” зарядник для лития делается проще, чем корректный зарядник для NiMH/NiCd [зарядник]. Другое дело, что Ni* не умирают и при использовании “некорректного” зарядника, но это уже другой вопрос.

     Напряжение одной банки (номинальное) – 3.6В (свежезаряженный аккумулятор без нагрузки выдает 4.15-4.20В, под нагрузкой напряжение падает), поэтому одна LiIon банка заменяет три последовательно соединенных NiMH/NiCd банки – не забываем про это при сравнении “ёмкости” аккумуляторов. 3.6В – довольно удобное напряжение – и мелкую электронику в самый раз питать, и “белому светодиоду” как раз хватает 🙂     В-общем, практически идеальный аккумулятор, верно? Тогда перечислим недостатки 🙂     Относительно дорог. Особенно учитывая стремление производителей использовать “уникальные” аккумуляторные картриджи, несовместимые ни с чем, что тоже является недостатком (“пальцы” везде есть, а вот поди найди аккумулятор для старого сотового). Впрочем, именно благодаря такой несовместимости бывает можно найти “распродажу неликвидов”, где “литий” продается ещё и дешевле чем Ni* (имеется в виду в рублях/джоуль а не в рублях на ампер-час, ибо не забываем про напряжение), а при необходимости – “картридж” можно “перепаковать”: извлечь из него старую “банку” и впаять на её место новую. Всю обвязку (корпус, контроллер) – сохранить.

     Режим заряда необходимо выдерживать весьма строго: отклонение конечного напряжения на 0.1 В вполне способно привести к “вздутию” аккумулятора, дальнейшее превышение – к взрыву.

Если повезёт – то ещё и к выплёскиванию горячего металлического лития и как следствие – пожару. Но это не очень страшно – “китайский цифровой тестер за $5”, по которому будет отстраиваться зарядник, имеет достаточную для этого точность.

Про конкретные издевательства и что при них происходит – вынесу в примечания[авиамоделисты] 🙂

Источник: https://dibr.livejournal.com/132934.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector