Современные аккумуляторные батареи. Революция в производстве аккумуляторов: QuantumScape представила новую технологию твердотельных батарей

19.12.2018, Ср, 16:40, Мск , Текст: Эльяс Касми

Хаос на страже электрического заряда

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

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

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

Суть и потенциал технологии

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

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

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

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

Магний лучше лития, никеля и кадмия?

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

Конкурирующие разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые АКБ и положить конец их далеко не самым экологичным производству и утилизации.

Казахстан хочет защитить внутренний рынок от экспансии глобальных ИТ-игроков

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

Современные типы литиевых батарей и их использование

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

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

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

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

Типы литиевых батарей

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

• Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.

• Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой 

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

• Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи. . В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ — хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
• АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
• Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.

• Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур — главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

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

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

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

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

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

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

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

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

Размеры литий ионных батарей

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

1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).

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

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

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

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

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

Ученые создали новый аккумулятор для техники — Российская газета

Международному коллективу ученых из НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН удалось улучшить аккумуляторы для техники при помощи натрия. Об этом сообщает пресс-служба научно-исследовательского центра.

Первые литий-йонные батареи появились в 1991 году, а в 2019 году их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии — за революционный вклад в развитие технологий. Как пишут авторы исследования, литий — дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева, ему очень непросто найти замену для создания емких аккумуляторов.

Возможную альтернативу дорогостоящему металлу предложили ученые НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова. В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию — натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена — сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль наполовину состоит из этого элемента.

Созданием экспериментального образца займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф «На разработку опытных образцов потребуется 1-2 года», — уточнили в пресс-службе НИТУ «МИСиС». В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

«Емкость аккумуляторов в гаджетах остается узким горлом эволюции технологий с незапамятных времен, — рассказывает ИТ-эксперт Никита Горяинов. — Производители как самих девайсов, так и процессоров к ним вынуждены искать баланс между емкостью ячеек, итоговым весом устройства и временем работы устройства. Современный смартфон можно сделать в три раза мощнее, но что делать с тепловыделением и увеличившимся энергопотреблением? Поэтому и тратятся миллиарды долларов на R&D, оптимизацию ARM-процессоров в смартфонах ради дополнительных часов и даже минут работы от аккумулятора».

По словам эксперта, более компактные, энергоемкие и эффективные аккумуляторы станут даже большим прорывом для индустрии, чем когда-то были сверхбыстрая твердотельная память и SSD. «Радует, что этим занимаются и в России. Соотечественникам предстоит самый сложный этап, на котором отсеиваются 98% подобных открытий: превращение теории в практику, а затем в реалистчный и массово производимый продукт. Остается пожелать им удачи и точности во всех последующих расчетах», — заключает Горяинов.

Руководитель Hi-Tech Mail.ru Дмитрий Рябинин настроен менее оптимистично: «Во-первых, эксперимент на ранних стадиях, и даже не пройдены основные тесты. Во-вторых, выстраивание такого нового техпроцесса слишком дорогостоящее. В-третьих, нет поддержки конкретных крупных производителей с потенциальными заказами. Все это делает технологию очередным концептом из туманного будущего на фоне уже имеющихся более реальных разработок».

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

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

Когда ждать аккумуляторную революцию?

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

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

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

Главная проблема «революционных» батарей

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

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

Неудачные эксперименты

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

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

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

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

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

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

Выработка вместо накопления энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Энергетическая сингулярность

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

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

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

Samsung создала вдвое более емкий аккумулятор чем современные модели

РынокТехнологии

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

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

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

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

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

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

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

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

Samsung Вендоры Аккумуляторные батареи

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

Литиевые тяговые аккумуляторы на 12-80 Вольт

Литий на замену свинцово-кислотным батареям — это реально!

Малый габарит и вес, количество циклов заряд-разряд, быстрый процесс заряда 2-4 часа против 8-10 часов, нет необходимости доливать воду в банки, не нужно отводить специальное помещение под заряд с хорошей вентиляцией — неоспоримые достоинства литиевых батарей. Но есть и «две ложки дегтя» — — это цена и это необходимость вместе с батареей заменить и зарядное устройство.

Устройство литиевых тяговых батарей.

Так же как и традиционные, свинцово-кислотные, литиевые батареи собираютсмя из элементов (ячеек). Даже если сравнивать свинцовые АКБ выполненные в виде моноблоков, внутри 3 или 6 независимых «банок» отсеков по 2 вольта каждый.
Элементы выпускаются двух видов: цилиндрические и призматические.
Для «легкой» тяги, которая находит применение питая электровелосипеды и скутеры, лодочные моторы, поломоечные машины малой производительности, инвалидные коляски, и малую самоходную складскую технику — используют элементы цилиндрического типа 18650 или 24560.
Для настоящей тяги — профессиональная уборочная техника, штабелеры, погрузчики, электротележки, транспортировщики паллет, ричтраки, грузовые электрокары, пассажирские прогулочные электромашины (гольф кары) — используют призматические элементы большой емкости.
По внешнему виду готовой батареи сложно понять какой тип элементов внутри, но наша рекомендация по надежности — это батареи из призматических элементов. Конструктивно они имеют меньшее количество элементов и как следствие, межэлементных соединений внутри, сами соединения болтовые, и более надежные, чем сварка, (на фото слева видны конструкции литиевых АКБ на разных элементах).

На фото видно, что при сборке из больших элементов, используются толстые перемычки из меди, которые выдерживают большие токи.

Литиевым батареям нужна защита по напряжению и току, только тогда они будут безопасными и долговечными!

Первым обязательным элементом в собранной батареи на любом типе элементов является электронная плата BMS (в переводе система управления батареей). Ее функции: контроль за процессом заряда/разряда ячеек аккумулятора. В случае если на одной из ячеек напряжение отклоняется от рекомендованного диапазона, силовые транзисторы на плате отключат аккумулятор от потребителя и/или зарядного устройства. Таким же образом происходит защита батареи от перегрузки или короткого замыкания. В BMS установлен один или несколько термодатчиков, для контроля за температурой внутри корпуса. Элементы цилиндрического типа при протекании через них токов более 10Cn нагреваются и если разряд длительный, необходимо предотвратить перегрев. У призматических ячеек отвод тепла намного лучше.

Плата BMS использует для управления процессом заряда и разряда электронные силовые ключи, которые имеют ограничения по мощности в зависимости от своей модели. Поэтому важно сопоставить мощность, снимаемую с батареи, мощность зарядного устройства, которым будет заряжаться АКБ с номинальной и максимальной мощностью батареи.

Кроме общих параметров тока и напряжения протекающих в батарее, вторым необходимым элементом является балансир. Это тоже одна или несколько плат, подсоединяющихся к каждой параллельной группе ячеек батареи, выравнивая разности скорости заряда группы. Небольшая неравномерность заряда объясняется разбросом в внутреннего сопротивления каждого элемента, заложенное на этапе производства, т.к. невозможно сделать два абсолютно одинаковых элемента, малая погрешность в технологическом процессе всегда есть. Разница даже в несколько сотых мОм приводит к дисбалансу, когда одни ячейки уже достигли необходимого напряжения, а остальные ещё продолжают заряжаться. В этом случае элементы могут заряжаться не полностью или перезарядиться, что приведет к снижению срока службы.

Балансиры бывают активные или пассивные. Пассивные проще и их цена ниже. Но и КПД заряда тоже ниже. Принцип действия заключается в шунтировании на резистивную нагрузку того элемента или группы элементов, которая уже получила полный заряд, в то время как другая продолжает заряжаться. Лишняя энергия рассеивается на шунте, превращаясь в тепло, что не желательно в закрытом корпусе. Если в батарее много последовательных групп, на пассивных балансирах могут рассеиваться десятки ватт тепла, поэтому батареи с этим типом балансиров желательно применять для работы техники с малой интенсивностью.

Современные активные балансиры. Более сложная схемотехника перераспределяет заряд между элементами таким образом, что энергия заряда уже заряженных элементов через дополнительные цепи поступает на недозаряженные элементы или группы. Это повышает КПД и снижает время заряда. Тепловыделение минимально.

Итог: кроме напряжения и емкости в параметрах литиевой батареи следует учитывать ее максимальную и номинальную мощность или ток. В случае превышения которого, BMS отключит батарею, т.к. изначально не была рассчитана на такую нагрузку. Традиционные свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом таких жестких ограничений не имеют.

Можно ли считать литий безопасным источником питания?

Точный расчет токов разряда, качество самих элементов, качество электронных плат контроля, качество монтажа — от этого зависит главное — пожаро-взрыво безопасность. На сегодня технология LiFePo4 и является самой безопасной и эффективной при этом. При выборе батареи в первую очередь предпочтение надо отдавать заводам поставщикам с именем и компаниям, осуществляющим сборку «не на коленке».

Литиевые батареи для поломоечных машин — плюсы и минусы.

Особенности: Как правило батареи заказываются вместе с своим зарядным устройством, предназначенным для заряда лития. На корпусах есть индикация состояния заряда и степени разряда батареи. Индикация может быть выносной, для крепления на корпус машины.

• Быстрый заряд — скорость принятия заряда до 80% уровня заряженности 2-4 часа. Просто в обеденный перерыв можно поставить поломойку на промежуточный заряд, и пользоваться дальше. У литиевой технологии вынужденный промежуточный заряд батареи не снижает срока службы. Это удобно и позволяет отказаться от четкого графика заряда как у свинцово-кислотных батарей с жидким электролитом, недозаряд не приводит к сульфатации.
• Вес батареи меньше. Соответственно и расход энергии для передвижения поломоечной машины меньше, время работы — больше! Меньше вес, значит и нагрузка на механические части и колеса меньше — реже нужно менять расходку.
• Срок службы больше. Почти вся уборочная техника среднего класса использует гелевые АКБ (Sonnenschain, SIAP, Deka) ресурс этих батарей всего 600-700 циклов. Используя Литий, можно получить 2000-3000 циклов до замены батарей. Вместе с выше перечисленным, это хорошая экономия, даже при первоначальных высоких вложениях.

Литиевые батареи для электро каров, прогулочного и малого грузового электротранспорта.

Особенности: корпуса под батареи изготавливают с защитой от пыли, влаги и воды. Обязательна ручка для удобной переноски и силовой разъем.

• Прирост в скорости и резвости электро транспорта. За счет существенно меньшей просадки по напряжению под нагрузкой, литиевые батареи способны питать электродвигатели большим напряжением, соответственно увеличивая их крутящий момент. К примеру свинцовая батарея на 12 вольт садится до 10.5 в, в то время как литий минимум до 11.5 вольт.
• Возможность быстрого заряда по пути — достаточно найти розетку с напряжением 220 вольт и за пару часов уровень заряда возрастет до 60-80%, и можно продолжать путь. (конечно само ЗУ надо брать с собой).
• Вес батареи меньше. Соответственно и расход энергии на себя для передвижения электро машины меньше, пробег на одном заряде — больше! Возможность перевести больше груза.
• Срок службы больше. Используемые гелевые АКБ (Sonnenschain, SIAP, Deka) ресурс этих батарей всего 600-700 циклов. Используя Литий, можно получить 2000-3000 циклов до замены батарей. Вместе с выше перечисленным, это хорошая экономия, даже при первоначальных высоких вложениях.

• 60 v 52ah (по C2), 240 x 160 x 380 mm, тяговый, Литий (NMC)

• 60 v 32ah (по C2), 300 x 230 x 180 mm, тяговый, Литий (NMC)

• 60 v 20 ah (по C2), 236x196x153 mm, тяговый, Литий (NMC)

• 48 v 24 ah (по C2), 183x156x203 mm, тяговый, Литий (NMC)

Литиевые батареи для погрузчиков и штабелеров.

Особенности: изготавливаются на заказ, согласно габариту, весу и потребляемой мощности техникой. литиевые тяговые аккумуляторы.

• Емкость используется на все 100%. Поэтому емкость новой батареи при переходе с свинцово-кислотных на литий-ионные аккумуляторы может быть уменьшена на 20-30% без сокращения времени работы оборудования. Свинцовые АКБ не могут отдать всю емкость и их безопасно разряжать до 70-80%.
• Существенный плюс: не надо отводить отдельное помещение под зарядный комплекс, не надо проводить обслуживание (контроль и долив воды, уравнительный заряд, ведение журнала), можно не держать в штате специалиста-аккумуляторщика.
• Быстрый заряд и промежуточный заряд — главные плюсы мощных и дорогих литиевых батарей в классе тяжелой тяги. При интенсивном использовании складской техники это может служить превалирующим фактором при принятии решения о смене типа батарей.
• Малый вес батареи — недостаток, а не преимущество! Производители рассчитывают балансировку подъемной складской техники учитывая вес именно свинцовых батарей там где они штатно предусмотрены конструкцией. При замене на литиевые, недостаток веса обязательно должен быть скомпенсирован балластом, иначе погрузчик не возьмет вес груза на который он рассчитан.
• Расчетный срок службы больше всего в 2 раза! Используемые мощные и емкие свинцовые АКБ из PzS или PzB элементов выдерживают ресурс до замены 1300-1500 циклов. Литий обещает прослужить до 3000 циклов.
• Экологичность, свинцовые батареи в период зарядки, выделяют токсичные газы, которые необходимо удалять из зарядной комнаты при помощи вентиляции. Литиевые АКБ герметичны, и не наносят вред окружающей среде в период эксплуатации. НО!
• НО! После периода успешной эксплуатации батарею необходимо утилизировать и если свинец можно сдать на переработку и получить за это еще и деньги, то батарею на основе лития можно утилизировать только заплатив за это деньги (примерно 50 руб на 1 кг). Поэтому экологичность в этом вопросе под сомнением. Заводов по переработке всего два, и из старого лития новый сделать невозможно.

Отправить запрос на расчет литиевого АКБ для штабелера / погрузчика

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться у системного администратора.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Создателей современных аккумуляторов разделили Нобелевскую премию — TechCrunch

Если бы вам приходилось каждое утро вставлять пару AA в свой смартфон, чтобы проверять электронную почту, просматривать Instagram и писать друзьям, скорее всего, мобильная революция не была бы такой революционной. К счастью, была изобретена перезаряжаемая литий-ионная батарея — задача на десятилетия, за которую трое мужчин только что были удостоены Нобелевской премии по химии.

Премия в этом году присуждается М.Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Йошино — все они внесли свой вклад в разработку того, что сегодня является наиболее распространенной формой портативных источников питания. Без них (и, конечно, тех, с которыми они работали, и тех, кто приходил раньше) мы были бы привязаны к еще более расточительным и / или стационарным источникам энергии.

Свинцово-кислотные батареи использовались почти столетие, когда люди действительно задумались о переходе на новый уровень с помощью лития, легкого металла с желаемыми электрическими свойствами.Но литий также очень реактивен с воздухом и водой, что затрудняет поиск подходящих веществ для его сочетания.

Эксперименты 50-х и 60-х годов заложили основу для более целенаправленных расследований, в частности, Уиттингема. В 1976 году он и его партнер Фред Гэмбл показали, что ионы лития, отдавая электроны для создания заряда, идеально вписываются в решетку дисульфида титана, где они терпеливо сидят (в своих «ван-дер-ваальсовых промежутках») до тех пор, пока во время перезарядки не появится электрон. .К сожалению, в этой конструкции также использовался литиевый анод, который мог быть очень реактивным (подумать о возгорании) при сгибании или раздавливании.

Джон Гуденаф и его команда вскоре разработали более качественный катодный материал (где находились ионы лития) с гораздо более высоким потенциалом — можно было потреблять больше энергии, открывая новые возможности для приложений. Это, в сочетании с тем фактом, что металлические литиевые аноды могут быть очень реактивными (подумайте о пожаре) при изгибе или раздавливании, привело к расширению исследований по обеспечению безопасности и полезности аккумуляторов.

В 1985 году исследование Акиры Ёшино привело к открытию нескольких материалов (чьи имена ничего не значат для никого, кто не знает предметной области), которые могут работать также хорошо, но при этом могут быть физически повреждены и не вызывать серьезных проблем.

С тех пор было сделано много-много улучшений, но эти команды изложили основы технологии. И вскоре после того, как литий-ионные аккумуляторы были доказаны как безопасные, емкие и их можно заряжать сотни раз, они были обнаружены в ноутбуках, медицинских устройствах и, в конечном итоге, в мобильных телефонах.Сегодня, после еще трех десятилетий усовершенствований, литиевые батареи используют бензин в качестве предпочтительного средства хранения энергии для перевозки людей.

Трое ученых, чьи работы наиболее эффективно продвинули эту технологию от теории к коммерческой реальности, были удостоены равных долей Нобелевской премии по химии в этом году, каждый из которых получил треть почти миллиона долларов и, что более важно, признание в исторической науке. мода.

аккумуляторов | HowStuffWorks

С ростом количества портативных устройств, таких как ноутбуки, сотовые телефоны, MP3-плееры и беспроводные электроинструменты, потребность в аккумуляторных батареях в последние годы существенно выросла.Перезаряжаемые батареи существуют с 1859 года, когда французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный элемент. Аккумулятор Plante со свинцовым анодом, катодом из диоксида свинца и сернокислотным электролитом стал предшественником современных автомобильных аккумуляторов.

Неперезаряжаемые батареи, или первичные элементы , и аккумуляторные батареи, или вторичные элементы , вырабатывают ток точно так же: посредством электрохимической реакции с участием анода, катода и электролита.Однако в перезаряжаемой батарее реакция обратима. Когда электрическая энергия от внешнего источника подается на вторичный элемент, поток электронов с отрицательного на положительный, возникающий во время разряда, меняется на противоположный, и заряд элемента восстанавливается. Наиболее распространенными перезаряжаемыми батареями на рынке сегодня являются литий-ионные батареи (LiOn), хотя когда-то очень распространенными были также никель-металлогидридные батареи (NiMH) и никель-кадмиевые (NiCd).

Когда дело доходит до аккумуляторных батарей, не все батареи одинаковы.Никель-кадмиевые батареи были одними из первых широко доступных вторичных элементов, но они страдали от неудобной проблемы, известной как эффект памяти . По сути, если бы эти батареи не разряжались полностью каждый раз при использовании, они быстро теряли бы емкость. Использование никель-кадмиевых аккумуляторов было прекращено в пользу аккумуляторов NiMH. Эти вторичные элементы обладают большей емкостью и лишь минимально подвержены эффекту памяти, но у них не очень хороший срок хранения. Как и никель-металлгидридные аккумуляторы, LiOn-аккумуляторы имеют долгий срок службы, но они лучше удерживают заряд, работают при более высоких напряжениях и имеют гораздо меньший и легкий корпус.Практически вся высококачественная портативная техника, производимая в наши дни, использует ее преимущества. Однако литий-ионные батареи в настоящее время недоступны в стандартных размерах, таких как AAA, AA, C или D, и они значительно дороже, чем их старые аналоги.

С NiCd и NiMH батареями зарядка может быть сложной. Вы должны быть осторожны, чтобы не перезарядить их, так как это может привести к снижению емкости. Чтобы этого не происходило, некоторые зарядные устройства переключаются на непрерывный заряд или просто отключаются после завершения зарядки.Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные батареи также необходимо восстанавливать, а это означает, что вы должны время от времени полностью разряжать и перезаряжать их, чтобы свести к минимуму потерю емкости. LiOn батареи, с другой стороны, имеют сложные зарядные устройства, которые предотвращают перезарядку и не нуждаются в ремонте.

Даже аккумуляторные батареи со временем разрядятся, хотя для этого могут потребоваться сотни зарядок. Когда они наконец сдадутся, обязательно утилизируйте их на предприятии по переработке.

Теперь давайте посмотрим на расположение батарей.

Три аккумуляторных технологии, которые могут обеспечить будущее | Saft аккумуляторы

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

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

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

ЛИТИЙ-ИОН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

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

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

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

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

ЛИТИЙ-СЕРНЫЙ

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

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

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

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

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

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

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ

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

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

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

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

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

Состав первичных и аккумуляторных батарей с плотностью энергии

Литиевая батарея — обзор

16.2 Почему Na-Ion аккумулятор?

Перезаряжаемые литиевые (Li) батареи, часто называемые литий-ионными батареями (LIB), как было впервые названо Sony, были признаны наиболее успешными и сложными устройствами накопления энергии с момента их первой коммерциализации в 1991 году. Первоначально разрабатывался как высокоэнергетический и безопасный источник питания для портативных электронных устройств. Кроме того, теперь они используются в качестве альтернативного источника энергии для электродвигателей вместо двигателей внутреннего сгорания, оборудованных топливным баком.Электромобили, оснащенные крупногабаритными литиевыми батареями в качестве источников энергии, были представлены на автомобильном рынке, обещая снизить зависимость транспорта от ископаемого топлива в будущем. Кроме того, LIB теперь используются для хранения электроэнергии (EES) [1]. Важнейший элемент, литий, широко распространен в земной коре, но не рассматривается как элемент в большом количестве [2–5]. Действительно, стоимость материала увеличилась после коммерциализации литиевых батарей.Напротив, ресурсы натрия в принципе неограниченны, поскольку они изобилуют морской водой и отложениями солей [6]. Кроме того, натрий является вторым по легкости и мелким размерам щелочным металлом после лития, и на самом деле химический состав Li и Na в целом аналогичен щелочным металлам.

Между двумя элементами есть несколько принципиальных различий: атом натрия в три раза тяжелее атома лития. Na ⁺ имеет больший ионный радиус, чем Li ⁺ , как показано в таблице 16.1.Электрохимический стандартный потенциал Na ⁺ / Na на 0,34 В выше, чем у Li ⁺ / Li. В результате гравиметрическая и объемная плотность энергии на основе металлического Na неизбежно намного ниже, чем у металлического лития, когда они используются в качестве отрицательного электрода. Можно отметить, что разница в плотности гравиметрической энергии в зависимости от материалов вставки становится намного меньше, что связано с массой материалов основы. Кроме того, могут возникнуть проблемы с безопасностью из-за более низкой температуры плавления металлического Na (97.7 ° C) по сравнению с металлическим Li (180,5 ° C), когда в качестве отрицательного электрода используется металл Na / Li.

Таблица 16.1. Сравнение химической природы натрия и лития

NIB, названный аналогом LIB, состоит из двух отдельных электродов, состоящих из материалов с введением Na без металла. Na, как показано на рисунке 16.1. NIB имеет два натриевых вставных материала, положительный и отрицательный электроды, которые разделены электронным способом с помощью электролита (как правило, солей электролита, растворенных в апротонных полярных растворителях) в качестве чистого ионного проводника. NIB являются многообещающим кандидатом для использования EES, потому что изобилие и экономическая эффективность Na имеют важное значение для крупномасштабных приложений, когда мы рассматриваем ограниченную доступность ресурса лития.

Рисунок 16.1. Схематическое изображение ионно-натриевых батарей.

Алюминий в качестве токоприемника образует бинарный сплав с литием. Поэтому медь используется в качестве токосъемника для материалов отрицательного электрода для литиевых аккумуляторных батарей, а алюминиевый токосъемник используется для положительного электрода. Напротив, Na не образует сплав с алюминием при температуре окружающей среды, который может использоваться в качестве токоприемника для аккумуляторных батарей Na. Использование экономичного алюминия является дополнительным практическим преимуществом системы NIB, поскольку она обещает снизить общую стоимость батарей по сравнению с LIB.

Основным препятствием для реализации NIB было отсутствие подходящих отрицательных электродов. В середине 1980-х годов было обнаружено, что углеродсодержащие материалы являются потенциальными кандидатами на роль хозяев внедрения (интеркаляции) Li, которые в настоящее время коммерчески используются в качестве материалов отрицательных электродов для практических LIB, например, неупорядоченных углеродов [7,8] и графита [9–11]. ]. Исследовательские интересы LIB еще больше возросли благодаря обнаружению графита, который теоретически обеспечивает высокую обратимую емкость при низком и стабильном рабочем напряжении 0.1–0,2 В относительно Li ⁺ / Li. К сожалению, графит не может быть использован как матрица для внедрения ионов Na [12–15].

Поскольку потребность в крупногабаритных батареях для EES в настоящее время растет, исследовательский интерес к NIB возобновился в 2010-х годах. Действительно, область материалов для аккумуляторов NIB, таких как активные материалы, электролиты и их характеристики, быстро растет. В частности, в последние годы резко увеличилось количество публикаций о СИБ. Основываясь на долгой истории литиевых батарей более 30 лет, мы можем с уверенностью сказать, что электрохимические характеристики отрицательных электродов для NIB также быстро улучшились благодаря обширным исследованиям во всем мире.

В этой главе рассматривается и представлен недавний прогресс исследований в области усовершенствованных отрицательных электродов и химии фтора для NIB. Электродные характеристики различных электродных материалов в Na-ячейках даны с точки зрения механизмов реакции для процессов натриения / десодиации. Поскольку потенциал электрода обычно низок около 0–1 В относительно Na ⁺ / Na (т.е. −3 ∼ −2 В относительно NHE), разложение раствора электролита на отрицательном электроде является серьезной проблемой, имеющей важное значение. пассивирования для длительного срока службы батареи.Таким образом, выбор связующих, добавок и электролитов оказывает существенное влияние на жизненный цикл отрицательных электродов, связанный с образованием поверхностных пассивирующих слоев, а именно межфазной границы твердого электролита (SEI) [16].

Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов

Анод

Металлический литий — самый легкий металл, он обладает высокой удельной емкостью (3,86 Ач г ^{— 1} ) и чрезвычайно низким электродным потенциалом (−3,04 В по сравнению со стандартным водородный электрод), что делает его идеальным анодным материалом для высоковольтных и высокоэнергетических батарей.Однако электрохимический потенциал Li ⁺ / Li лежит выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если не образуется пассивирующая граница раздела твердого электролита (SEI) ¹ . SEI подвержен повреждению и неравномерно ремонтируется на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может вызвать короткое замыкание ячейки и возгорание (рис.1а).

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

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

В 1985 году Акира Йошино ⁵ из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитизированный углерод из остатков фракционирования нефти, может обратимо интеркалировать ионы Li при низком потенциале ~ 0,5 В относительно Li ⁺ / Ли без структурного разрушения. Его структурная стабильность обусловлена ​​областями аморфного углерода в нефтяном коксе, служащими ковалентными соединениями для скрепления слоев вместе ⁶ (рис.1а). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~ Li _0,5 C ₆ , 0,186 Ач г ^–1 ) ⁶ , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных батарей благодаря своему устойчивость при езде на велосипеде.

Катод

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

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

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

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками ¹⁰ . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде кобальта лития (LiCoO ₂ ) ¹¹ , который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4.0 В по сравнению с Li ⁺ / Li и позволял использовать перезаряжаемую батарею 4,0 В в сочетании с литиево-металлическим анодом. Однако кобальт имеет ограниченное количество, что является препятствием для его применения. Шпинель LiMn ₂ O ₄ ¹² с тетраэдрическими ионами лития предлагает окислительно-восстановительный потенциал ~ 4,0 В по сравнению с Li ⁺ / Li при меньшей стоимости. Однако он ограничен проблемами разложения из-за растворения Mn в присутствии ионов H ⁺ (уровень ppm) в электролите.Оксид полианиона Li _x Fe ₂ ( X O ₄ ) ₃ ( X = S, Mo, W и т. Д.) ^13,14 предлагает более высокое напряжение ячейки по сравнению с простыми оксидами например, Fe ₂ O ₃ / Fe ₃ O _4. Ковалентная связь X -O в полианионоксиде ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индуктивного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии пары Fe ^{2 + / 3 +} и, следовательно, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, от <2.5 В для Fe ₂ O ₃ до 3,6 В для Li _x Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости за счет большого количества переходных металлов, таких как Fe, а также улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает плохой электронной проводимостью и более низкой плотностью. Среди трех классов оксидов слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностями энергии остаются любимыми катодами до сих пор ¹⁰ , а электрод LiCoO ₂ теперь является доминирующим катодным материалом, который питает большинство персональных электронных устройств.

Электролит

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

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита сделало возможным практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 ^o ° C) по сравнению с EC (36,4 ^° ° C) ⁶ . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурное повреждение графита, что приводит к сокращению срока службы. Исследователи Sanyo ^6,15 заявили об успешном электрохимическом литировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn ¹⁶ сообщили, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, открывая путь для разработки графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис.1б). С тех пор ЕС стал незаменимым растворителем для литий-ионных аккумуляторов. Возможные механизмы, лежащие в основе «несоответствия EC и PC» ¹⁷ объясняются различиями между продуктами их восстановления. Изогнутая цепная структура декарбоната пропилена лития (продукт восстановления ПК) склонна к образованию рыхлых отложений с плохой когезией на поверхности электрода.