Литий ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы: преимущества, особенности и применение в современных технологиях

Какие ключевые преимущества имеют литий-ионные аккумуляторы. Как устроены и работают литий-ионные батареи. Где применяются литий-ионные аккумуляторы в современных технологиях. Какие перспективы развития у литий-ионных батарей.

Принцип работы и устройство литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы основаны на способности лития внедряться в кристаллические решетки других материалов. При зарядке ионы лития перемещаются от катода к аноду, встраиваясь в его структуру. При разрядке происходит обратный процесс — ионы лития возвращаются к катоду, создавая электрический ток во внешней цепи.

Основные компоненты литий-ионного аккумулятора:

• Анод (отрицательный электрод) — обычно из графита
• Катод (положительный электрод) — из оксидов металлов
• Электролит — проводник для ионов лития между электродами
• Сепаратор — разделяет электроды, пропуская только ионы лития

В качестве электролита используются полимеры, способные внедрять соли лития. Это позволяет создавать аккумуляторы практически любой формы.

Ключевые преимущества литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи обладают рядом важных достоинств по сравнению с другими типами аккумуляторов:

• Высокая энергетическая плотность — больше энергии при меньшем весе и размере
• Длительный срок службы — до 2-3 раз больше циклов заряда-разряда
• Низкий саморазряд — 3-5% в месяц против 10-15% у свинцово-кислотных
• Отсутствие эффекта памяти — не требуют полной разрядки перед зарядкой
• Быстрая зарядка — до 80% емкости за 30-60 минут
• Широкий диапазон рабочих температур

Эти преимущества сделали литий-ионные аккумуляторы оптимальным выбором для многих современных устройств и технологий.

Области применения литий-ионных батарей

Благодаря своим характеристикам, литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в различных сферах:

• Портативная электроника — смартфоны, ноутбуки, планшеты
• Электротранспорт — электромобили, электросамокаты, электровелосипеды
• Энергетика — накопители энергии для солнечных и ветряных электростанций
• Космическая отрасль — питание спутников и космических аппаратов
• Медицинское оборудование — кардиостимуляторы, слуховые аппараты
• Электроинструмент — дрели, шуруповерты, пилы

Литий-ионные батареи становятся все более востребованными по мере развития электрификации транспорта и возобновляемой энергетики.

Особенности эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Для максимального срока службы литий-ионных батарей важно соблюдать ряд правил:

• Не допускать полной разрядки — оптимальный уровень 20-80% заряда
• Избегать перезаряда — не оставлять надолго подключенным после 100%
• Не подвергать воздействию высоких температур
• Хранить при 30-50% заряда в прохладном месте
• Использовать оригинальные зарядные устройства
• Избегать глубоких разрядов и перезарядов

При правильной эксплуатации современные литий-ионные аккумуляторы способны выдержать 1000-2000 циклов заряда-разряда.

Технологии производства литий-ионных батарей

Существует несколько технологий изготовления литий-ионных аккумуляторов:

• Цилиндрические элементы (18650, 21700) — наиболее распространенные
• Призматические элементы — для компактных устройств
• Ламинированные (пакетные) элементы — гибкие и легкие
• Твердотельные аккумуляторы — перспективная технология

Выбор технологии зависит от требований к емкости, размерам, весу и стоимости аккумулятора. Продолжаются исследования по созданию более совершенных и безопасных литий-ионных батарей.

Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов

Основные направления совершенствования литий-ионных батарей:

• Повышение энергетической плотности
• Увеличение скорости зарядки
• Улучшение безопасности и стабильности
• Снижение стоимости производства
• Разработка более экологичных технологий

Ведутся работы по созданию литий-серных и литий-воздушных аккумуляторов, которые могут обеспечить еще большую емкость. Развитие технологий позволит значительно расширить применение литий-ионных батарей в будущем.

Экологические аспекты использования литий-ионных аккумуляторов

Несмотря на преимущества, литий-ионные батареи имеют ряд экологических проблем:

• Добыча лития наносит ущерб окружающей среде
• Производство аккумуляторов энергозатратно
• Утилизация отработанных батарей сложна и дорога

Для решения этих проблем разрабатываются более экологичные методы добычи лития, технологии вторичной переработки аккумуляторов и использования альтернативных материалов. Важно развивать инфраструктуру для правильной утилизации литий-ионных батарей.

Вопросы экологичности литий-ионных аккумуляторов

Как сделать производство и утилизацию литий-ионных батарей более экологичным? Существует несколько перспективных направлений:

1. Разработка технологий добычи лития с минимальным воздействием на окружающую среду
2. Создание замкнутого цикла производства с повторным использованием материалов
3. Совершенствование методов переработки отработанных аккумуляторов
4. Поиск альтернативных, более распространенных материалов вместо лития
5. Повышение энергоэффективности производства литий-ионных батарей

Решение этих задач позволит сделать литий-ионные аккумуляторы по-настоящему «зеленой» технологией и расширить сферу их применения.

Применение литий-ионных батарей в однофазных ИБП / Хабр

Литий-ионные батареи в однофазных ИБП

Последние несколько лет литий-ионные аккумуляторы набирают популярность. По данным Bloomberg New Energy Finance, к 2025 году они будут использоваться в 40% центров обработки данных. На них будет приходится 5,6 ГВт⋅ч резервируемых мощностей.

Так что использование литий-ионных батарей в промышленных трёхфазных ИБП вряд ли кого-то удивит. Относительно высокая цена таких аккумуляторов практически незаметна на фоне общей стоимости энергетической инфраструктуры крупного объекта, и в дальнейшем компенсируется за счёт меньшей совокупной стоимости владения решением.

Совсем другое дело — однофазные ИБП, область применения которых традиционно предполагает бережливость. В конце концов, это не инфраструктурные и не имиджевые решения. Стоит себе в уголке ящичек, который может понадобиться раз в месяц, а то и реже. Такие вещи зачастую приобретаются по остаточному принципу.

Так стоит ли тратиться на однофазные ИБП, работающие на литий-ионных батареях или лучше предпочесть привычное решение? В такой неопределённой ситуации лучше всего спокойно выдохнуть и оставив в покое эмоции начать считать плюсы и минусы. А принятие решения отложить на потом.

Что такое литий-ионный аккумулятор

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов основан на способности лития интегрироваться в кристаллические решётки оксида кремния, графита, или иных материалов, что позволяет накопить заряд на одном электроде. Например, при использовании графита при зарядке на аноде образуется графитит лития. В рабочем режиме происходит обратный процесс — избыток заряда переходит к катоду, а по внешней цепи идёт электрический ток.

В качестве электролита в литий-ионных аккумуляторах применяется полимеры, способные внедрять в свой состав соли лития. Это позволяет достичь большой внутренней поверхности и изготавливать изделия практически любой формы.

Достоинства литий-ионных аккумуляторов

Срок службы литий-ионной батареи достигает 10 лет, что в 2-3 раза больше аналогичного показателя традиционного свинцового аккумулятора. Даже с учётом разницы в ценах экономия в течение всего периода эксплуатации может достигать 35%, что уже немало.

Из-за отсутствия сульфатации литий-ионные аккумуляторы заметно превосходят свинцово-кислотные по уровню разряда: 3-5% в месяц против 10-15% в месяц. Таким образом, их даже можно закупать заранее — при хороших условиях хранения (темература около 15 градусов и 30-50% заряда) батарея будет полностью работоспособна даже через несколько лет.

Зарядка литий-ионного аккумулятора требует в разы меньше времени. Это свойство может оказаться решающим при необходимости обеспечить бесперебойное питание на удалённых объектах, и там, где часто происходят повреждения питающей линии. А ещё, при частых отключениях будет играть положительную роль бОльший ресурс литий-ионной батареи: 400-600 против 200 у свинцово-кислотных.Однако, решающее преимущество литий-ионных аккумуляторов при их использовании в ИБП заключается в двух возможных вариантах исполнения: силовом и энергоёмком. Таким образом, есть основания говорить про некий универсальный источник, способный защищать любое подключенное к нему оборудование.

Силовой вариант исполнения предполагает отдачу большой мощности за короткий промежуток времени. ИБП на литий-ионной батарее может обеспечить работы мощного оборудования в течении 1-2 минут, разрядившись при этом до 20%.

В энергоёмком режиме аккумулятор будет запитывать подключённые к нему устройства небольшой мощности в течении относительно длительного промежутка времени. Соответственно, за то же время расход ёмкости составит примерно 20%.

В силу химико-технологических свойств кислотно-щелочных аккумуляторов они могут работать исключительно в энергоёмком режиме. Конечно, именно он на практике самый востребованный, но случаи бывают разные.

Высокая энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов приводит к тому, что при прочих равных условиях они будут меньше и легче. Конечно, в условиях дома или офиса на 3-4 человек, где реальная необходимость в ИБП исчисляется в единицах изделий, это не особо существенно (хотя, как сказать?), но даже для небольшого предприятия выигрыш получится ощутимым.
Во-первых, лишнего места никогда не бывает. Во-вторых, и размер, и вес — это стоимость транспортировки.

Что касается рабочей температуры, то она находится в диапазоне от 0°C и до 40°C. Таким образом, использование этих батарей в ИБП объективно не требует дополнительного охлаждения, однако не стоит забывать, что чем комфортнее температурный режим, тем больше будет ресурс батареи, так и самого ИБП, а также оборудования, которое от ИБП запитано.

Обычные потери энергии в литий-ионных батареях вдвое меньше, чем в свинцово-кислотных. И это без учёта возможных отключений электропитания, в течении которого происходит разрядка аккумулятора с последующей его зарядкой.

В течении 10 лет использование свинцово-кислотного аккумулятора предполагает примерно две его замены. В то время как для литий-ионной батареи этот показатель может быть равен нулю. Если добавить к стоимости самого оборудования неизбежные при этом организационные затраты, то Li-Ion позволяет сэкономить приличные деньги.

Особенности литий-ионных аккумуляторов

Наиболее высокие эксплуатационные показатели литий-ионных батарей достигаются при соблюдении ряда условий. В частности, они не обладают «эффектом памяти», поэтому их разрядка «в ноль» нецелесообразна и даже нежелательна — оптимальное значение для хранения составляет примерно 40% заряда. На практике это означает, что зарядка аккумулятора может производиться по мере необходимости без всякого для неё ущерба.

Чрезмерной зарядки литий-ионных аккумуляторов также допускать не следует. Дело в том, что внедряемые в кристаллические решётки электродов ионы лития постепенно изменяют их состав. Таким образом, при слишком высоком (как и при слишком низком) заряде слишком много ионов лития находится в аноде или катоде, что приводит к деградации элемента и сокращению срока его службы.

Главный вопрос — безопасность. Действительно, в своё время Samsung Galaxy Note 7 наделал много шума и в прямом, и в переносном смыслах. К тому же, горящий даже в воде литий всё-таки смущает рядового пользователя, поэтому тут следует основательно разобраться.

Прежде всего, литий-ионные аккумуляторы содержат не металлический литий, а его ионы, которые химически менее активны. Таким образом, возможные причины самовозгорания таких батарей не отличаются оригинальностью: физические повреждения или перегрев. Очевидно, что никакой литий-ионной специфики тут не наблюдается.

Тем не менее, из-за более высоких удельной энергии и температурной чувствительности при ненадлежащих условий эксплуатации литий-ионные батареи потенциально способны быстрее достичь состояния термической нестабильности. Таким образом проблема безопасности решается посредством использования надёжных материалов и эффективной системы управления, о которой пойдёт речь ниже.

К тому же, следует принять во внимание, что сегодня количество выпускаемых литий-ионных аккумуляторов исчисляется миллионами, поэтому всегда есть вероятность технического брака или некачественного исполнения. При покупке ИБП необходимо ориентироваться на известных производителей с подтверждённой репутацией, которые тщательно относятся к тестированию своего оборудования и выбору поставщиков комплектующих.

Как решение, Литий-ионная батарея для ИБП, дороже свинцово-кислотной. Причина по большей части в том, что литий-ионная батарея в обязательном порядке подразумевает сложную систему управления, которая отвечает в первую очередь за безопасность использования данной батареи, за мгновенное отключение в случае если какой-то из параметров выйдет из допустимого диапазона и во вторую очередь за обеспечение наилучших условий эксплуатации батареи: как часто и каким током заряжать, сколько процентов ёмкости должно остаться должно остаться при полном разряде, прогнозирование оставшегося срока службы и всё это учитывая большое количество параметров. В ИБП со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями так же есть система управления батареей, но устроена она намного проще в виду меньшей энергоёмкости и более медленной реакции на изменения параметров и гораздо меньшей опасности при выходе батареи из строя.

Таким образом, главное правило, выполнение которого гарантирует безопасность литий-ионных батарей — не допускать перегрева от внешних источников тепла и механического повреждения. И естественно, не разбирать. Если ИБП установлен на удалённом объекте, нелишним будет настроить удалённый мониторинг для оперативного получния информации о событиях ИБП.

Даже поверхностный анализ свойств литий-ионных батарей заставляет сделать вывод, что их потенциал весьма велик, но это именно потенциал. Однофазные ИБП на литий-ионных батареях
В качестве примера рассмотрим источники бесперебойного питания Smart-UPS Online на литий-ионных батареях мощностью 1 кВА и 1,5 кВА. Они выпускаются как с предустановленной сетевой картой, так и без неё. Один внешний батарейный блок идёт в комплекте, а всего можно подключить до 5 блоков.

Серия состоит из четырёх моделей: SRTL1000RMXLI, SRTL1500RMXLI, SRTL1000RMXLI-NC и SRTL1500RMXLI-NC. Две последние оснащены сетевой платой.

Модели серии рассчитаны на эксплуатацию при температуре от 0°C до 40°С, рабочий режим относительной влажности составляет 0-95%. ИБП обеспечивает класс защиты IP 20.

Одна из главных гарантий устойчивой работы источника — вовремя проведённое профилактическое обслуживание. ИБП серии заблаговременно проинформируют пользователя о приближающимся окончании срока службы аккумуляторов, чтобы обслуживающий персонал успел своевременно её заменить.

Высокий уровень КПД обеспечивается в том числе и за счёт возможной настройки режима “Green mode”, что означает автоматического переключения нагрузки на байпас, если сетевое питание не нуждается в корректировке. На батарее такой режим работы не скажется, она будет продолжать находиться под контолем ИБП.

Эффективность батареи, увеличение срока её службы и надёжность повышает система интеллектуального управления. Она позволяет непрерывно контролировать текущее состояние батарей и использовать оптимальный режим их зарядки, а также продолжать подачу энергии на аккумулятор даже при выключенном устройстве.

При зарядке аккумулятора применяется режим температурной компенсации. Он позволяет регулировать зарядное напряжение в зависимости от нагрева батареи, что продлевает срок её службы и препятствует переходу в потенциально опасное состояние.

Предусмотрено экстренное отключение питания посредством функции EPO. При её активации происходит мгновенное отключение как нагрузки, так и всех силовых преобразователей, а сам ИБП автоматически переходит в режим индикации неисправностей. EPO полностью изолирует устройство от опасного сетевого напряжения, а питание источника осуществляется от сверхнизкого напряжения.

Использование литий-ионных аккумуляторов в виду высокой энергоёмкости позволяет уменьшить габариты ИБП, а также снизить вес решения, что в некоторых случаях может прийтись весьма кстати. Поскольку ИБП на базе литий-ионных батарей относятся к премиум-сегменту, комплектация устройств достаточно богатая: LCD-дисплей, две группы управляемых розеток, гнездо SmartSlot для подключения дополнительных элементов управления, последовательный порт, порт USB. Источники SRTL1000RMXLI-NC и SRTL1500RMXLI-NC дополнительно оснащены предустановленной сетевой платой, при помощи которой устройство может быть интегрировано в общую систему дистанционного управления энергоснабжением.

В ЛЭТИ разработали первую в России установку для автоматизированной сварки литий-ионных аккумуляторов

Устройство с помощью технологии точечной сварки способно быстро и безопасно собрать литий-ионные батареи в единый массив различных размеров.

18.01.2022 1738

Литий-ионные батареи – это тип электрического аккумулятора, который сегодня активно используется в бытовой электронике и электротранспорте. В частности, для питания электроинструмента, ноутбуков, электросамокатов, электромобилей и электробусов используются сборки из цилиндрических аккумуляторов. Одними из наиболее распространенных являются аккумуляторы 18650, внешне похожие на обычные одноразовые батарейки. Массивы различных размеров (для ноутбука достаточно трех аккумуляторов, а для самоката – несколько десятков) соединяются с помощью никелевой ленты.

Соединение литий-ионных аккумуляторов в единую структуру невозможно выполнить с помощью пайки, так как процесс занимает относительно много времени (несколько секунд или дольше), в течение которого батарейка может перегреться и выйти из строя. Поэтому основным методом является точечная сварка никелевой лентой – она обладает высокой производительностью (несколько сотен соединений в минуту) и не перегревает аккумуляторы, поскольку нагревание элементов для соединения происходит за треть секунды. Однако в России оборудование для использования данной технологии не производится.

«Мы разработали первую отечественную установку для точечной сварки, с помощью которой можно быстро и надежно соединять цилиндрические литий-ионные аккумуляторы в единые батареи».

Инженер кафедры электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Евстратов

Устройство выполнено в двух конфигурациях. Вариант, с помощью которого батареи скрепляются вручную, можно использовать в бытовых условиях. Помимо этого, ученые ЛЭТИ разработали установку для автоматической сварки батарей, состоящих из большого числа литий-ионных аккумуляторов. Действующий прототип имеет рабочую площадь 40х40 см. Однако с помощью универсального подхода к созданию программного кода, используемого в ЛЭТИ, разработку можно масштабировать и использовать на больших рабочих областях для сборки аккумуляторных батарей любых конфигураций в промышленных объемах. Оба варианта устройства для точечной сварки используют для соединения аккумуляторов никелевую ленту.

«Наша конечная цель – внедрить разработку в компании, которые занимаются сборкой и восстановлением аккумуляторных батарей. Сегодня они используют зарубежные аналоги приборов для точечной сварки. В отличие от них, наша разработка является более дешевой и компактной. Мы рассчитываем, что в будущем внедрение такой системы позволит значительно повысить производительность труда в сфере сборки литий-ионных батарей», – отмечает заместитель заведующего кафедрой ЭТПТ по учебной работе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Валентинович Ишин.

Проект был поддержан грантом молодежного конкурса инновационных проектов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2021 году.

---

FREYR планирует строительство завода по производству литий-ионных аккумуляторов Giga America в Джорджии – журнал pv USA

Используя технологию аккумуляторов SemiSolid от 24M Technologies, FREYR изначально намеревается производить 34 ГВтч с инвестициями в размере 1,7 млрд долларов.

11 ноября 2022 г. Anne Fischer

FREYR Производство аккумуляторов с использованием технологии 24M.

Изображение: 24M Technologies

Компания FREYR объявила о том, что она выбрала и приобрела участок в округе Коуэта, штат Джорджия, для многоэтапного проекта по производству экологически чистых аккумуляторов Giga America, который будет осуществляться в несколько этапов. На первом этапе планируется произвести около 34 ГВтч с предполагаемыми капитальными вложениями в размере 1,7 миллиарда долларов. Дополнительные инвестиции могут составить $2,6 млрд к 2029 году, оценивает компания. За время реализации проекта в Грузии будет создано более 720 американских рабочих мест.

Компания приобрела 368 акров земли в индустриальном парке Бриджпорт с возможностью дальнейшего расширения. У FREYR были планы по производству в Соединенных Штатах, но эти планы были ускорены благодаря силе американской индустрии возобновляемых источников энергии и электромобилей в сочетании с недавно объявленными налоговыми льготами, связанными с Законом о снижении инфляции. FREYR намеревается подать заявку на получение грантов или займов от Министерства энергетики США для помощи в развитии гигафабрики. Компания сообщила, что также получила «серьезную помощь» от штата Джорджия и округа Коуэта.

FREYR использует технологию производства аккумуляторов SemiSolid, разработанную компанией 24M Technologies, дочерней компанией Массачусетского технологического института в Кембридже, штат Массачусетс. Сообщается, что процесс 24M упростил производство литий-ионных аккумуляторов благодаря конструкции, которая требует до 80% меньшего количества неактивных материалов. , таких как медь и алюминий, и меньше производственных операций. По данным 24M, этот процесс снижает производственные затраты на 40%. Ее решением является полутвердая проточная батарея, в которой клейкие электроды смешиваются непосредственно с электролитом, исключая энергоемкий процесс сушки и отверждения электродов в традиционном литий-ионном производстве.

В настоящее время компания строит гигафабрику в Норвегии под названием Giga Arctic. С запланированной паспортной мощностью 29 ГВт-ч его аккумуляторная технология также будет основана на производственной платформе 24M. Команда проекта из США намерена воспроизвести основные элементы разработки Giga Arctic и поддерживать постоянный диалог с персоналом в Норвегии.

«Сегодняшнее знаменательное объявление подчеркивает стремление FREYR создать очень сильное и краткосрочное операционное присутствие в Соединенных Штатах. Расширение в США было основополагающим аспектом долгосрочной стратегии FREYR с самого начала, и с недавним принятием Закона о снижении инфляции мы ожидаем, что спрос в США на ESS, пассажирские электромобили и другие приложения для электромобильности будет быстро расти в течение следующего года. десятилетие», — прокомментировал Том Эйнар Дженсен, соучредитель и главный исполнительный директор FREYR.

Штаб-квартира FREYR находится в Норвегии. Строительство ведется в Норвегии и теперь планируется в США, компания также намерена построить завод в Финляндии. FREYR ставит перед собой цель увеличить мощность аккумуляторных батарей до 50 ГВт-ч к 2025 г., до 100 ГВт-ч в год к 2028 г. и до 200 ГВт-ч в год к 2030 г.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть повторно использован. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, обращайтесь по адресу: [email protected].

Для увеличения срока службы батареи используйте каждую ячейку по максимуму

Исследователи из Стэнфордского университета разработали новый способ увеличения срока службы литий-ионных аккумуляторов и снижения их износа при быстрой зарядке.

Исследователи из Стэнфорда разработали новый способ продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов и уменьшить их износ при быстрой зарядке. (Изображение предоставлено Getty Images)

Исследование, опубликованное 5 ноября в IEEE Transactions on Control Systems Technology , показывает, как активное управление величиной электрического тока, протекающего к каждой ячейке в батарее, вместо равномерной подачи заряда может минимизировать износ. Такой подход эффективно позволяет каждой клетке прожить свою лучшую и самую долгую жизнь.

По словам профессора Стэнфордского университета и старшего автора исследования Симоны Онори, первоначальное моделирование показало, что батареи, управляемые с помощью новой технологии, могут выдерживать как минимум на 20 % больше циклов зарядки-разрядки, даже при частой быстрой зарядке, что создает дополнительную нагрузку на батарею.

Большинство предыдущих усилий по продлению срока службы аккумуляторов электромобилей были сосредоточены на улучшении конструкции, материалов и производства отдельных элементов, исходя из того, что аккумулятор, подобно звеньям в цепи, хорош настолько, насколько хорош его самый слабый элемент. Новое исследование начинается с понимания того, что, хотя слабые звенья неизбежны — из-за несовершенства производства и из-за того, что некоторые клетки деградируют быстрее, чем другие, поскольку они подвергаются таким нагрузкам, как тепло, — они не должны разрушать всю упаковку. Суть в том, чтобы адаптировать скорость зарядки к уникальной емкости каждой ячейки, чтобы предотвратить отказ.

«Если не принять надлежащих мер, неоднородность между ячейками может поставить под угрозу долговечность, здоровье и безопасность аккумуляторной батареи и привести к преждевременной неисправности аккумуляторной батареи», — сказал Онори, доцент кафедры энергетики в Университете Стэнфордская школа устойчивого развития Дорр. «Наш подход выравнивает энергию в каждой ячейке в батарее, сбалансированно доводя все ячейки до конечного целевого состояния заряда и увеличивая срок службы батареи».

Вдохновленный созданием батареи на миллион миль

Частично импульс для нового исследования восходит к объявлению Tesla, компании по производству электромобилей, о работе над «батареей на миллион миль» в 2020 году. Это будет батарея, способная питать автомобиль на 1 миллион миль или более (при регулярной зарядке), прежде чем она достигнет точки, когда, как литий-ионная батарея в старом телефоне или ноутбуке, батарея электромобиля держит слишком мало заряда, чтобы функционировать. .

Такая батарея превысит типичную гарантию автопроизводителей для аккумуляторов электромобилей, составляющую восемь лет или 100 000 миль. Хотя гарантийный срок аккумуляторных батарей обычно превышает гарантийный срок, доверие потребителей к электромобилям могло бы укрепиться, если бы замена дорогостоящих аккумуляторных батарей стала еще реже. Батарея, которая все еще может удерживать заряд после тысяч перезарядок, также может облегчить электрификацию дальнемагистральных грузовиков и внедрение так называемых систем «автомобиль-сеть», в которых батареи электромобилей будут хранить и распределять возобновляемую энергию для энергосистема.

«Позже было объяснено, что концепция батареи на миллион миль на самом деле не была новой химией, а просто способом эксплуатации батареи, не заставляя ее использовать полный диапазон заряда», — сказал Онори. Связанные исследования были сосредоточены на одиночных литий-ионных элементах, которые, как правило, не теряют зарядную емкость так быстро, как полные аккумуляторные батареи.

Заинтригованные, Онори и два исследователя в ее лаборатории — аспирант Вахид Азими и аспирант Анирудх Аллам — решили исследовать, как новаторское управление существующими типами батарей может улучшить производительность и срок службы полного батарейного блока, который может содержать сотни или тысячи клеток.

Высокоточная модель батареи

В качестве первого шага исследователи создали высокоточную компьютерную модель поведения батареи, которая точно отражает физические и химические изменения, происходящие внутри батареи в течение срока ее службы. Некоторые из этих изменений разворачиваются за секунды или минуты, другие — за месяцы или даже годы.

«Насколько нам известно, ни в одном предыдущем исследовании не использовалась созданная нами высокоточная модель батареи с несколькими временными шкалами», — сказал Онори, директор Стэнфордской лаборатории управления энергопотреблением.

Проведение симуляций с помощью модели показало, что современный аккумуляторный блок можно оптимизировать и контролировать, учитывая различия между входящими в его состав элементами. Онори и его коллеги предполагают, что их модель в ближайшие годы будет использоваться для разработки систем управления батареями, которые можно будет легко внедрить в существующие конструкции автомобилей.

Выиграют не только электромобили. По словам Онори, практически любое приложение, которое «сильно нагружает аккумулятор», может стать хорошим кандидатом на улучшение управления с учетом новых результатов. Один пример? Дроноподобные летательные аппараты с электрическим вертикальным взлетом и посадкой, иногда называемые eVTOL, которые некоторые предприниматели ожидают использовать в качестве воздушных такси и предоставлять другие услуги городской воздушной мобильности в течение следующего десятилетия. Тем не менее, манят другие области применения перезаряжаемых литий-ионных батарей, включая авиацию общего назначения и крупномасштабное хранение возобновляемой энергии.

«Литий-ионные аккумуляторы уже изменили мир во многих отношениях, — сказал Онори. «Важно, чтобы мы получили как можно больше от этой преобразующей технологии и ее будущих преемников».