Плотность аккумуляторной батареи: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе?

Каждый год автолюбители сталкиваются с проблемой зарядки аккумулятора, сульфатации и десульфатации. Многие измеряют плотность электролита и пытаются ее восстановить. Но почему нельзя повысить плотность аккумулятора без добавления кислоты в электролит? Давайте ответим на этот вопрос.

Рассмотрим процессы, которые протекают при заряде и разряде аккумулятора — теория аккумулятора

Классическая формула:

                    ⇐ заряд            

Pb + PbO2 + 2H2SO4  ⇐        ⇒  2PbSO4 + 2H2 O  (1)

                    разряд ⇒

Если внимательно разобрать формулу, то очевидно, что при разряде аккумулятора у нас образуется такое вещество, как сульфат свинца. Это вещество (соль) очень плохо растворимо в воде и при определенной концентрации выпадает в осадок, иногда образуя кристаллы. Из за образования данного вещества и уменьшения концентрации кислоты в электролите, соответственно пропадает плотность. Доведя аккумулятор до абсолютного разряда, плотность в электролите станет ровна единице. В растворе, будет отсутствовать кислота.

Если мы вернемся к вопросу: «Почему нельзя повысить плотность не добавляя кислоты в электролит?», а только лишь повышением напряжения, то ответ очевиден.

Предположим у нас при плотности 1,25 г/см3, которую залили на заводе, в аккумуляторе присутствует 100 молекул кислоты при полном заряде, мы начали разряжать аккумулятор, получаем 100 молекул сульфата. Если дальше заряжать аккумулятор мы опять получим те же 100 молекул кислоты и плотность 1,25 г/см3 (если не испарилась вода).

Вывод: если мы не добавляли кислоту в электролит, и у нас повысилась плотность – мы потеряли воду.

Теперь давайте разберемся с коварным веществом сульфатом свинца. Это вещество очень плохо растворимо в воде, а это значит, что насыщенный раствор данного вещества получается при очень небольшой его концентрации в электролите. Когда мы разряжаем аккумулятор, концентрация раствора сульфата свинца возрастает. Поэтому все производители аккумуляторов пишут придельное напряжение разряда аккумулятора (для 12В аккумулятора это 10,8В). Дальнейший разряд приводит к тому, что образуется перенасыщенный раствор сульфата свинца. С перенасыщенными растворами мы встречались в школе. Например, выращивая кристаллы из медного купороса. Когда в перенасыщенный раствор попадает нить, то на ней сразу начинает расти красивый синий камень. Такой же процесс происходит в аккумуляторе, начинают расти кристаллы сульфата свинца и самая большая проблема, они уже обратно не растворяются  в воде. Именно этот процесс принято называть сульфатацией. Эти кристаллы не проводят электричество, поэтому вырастание их на пластинах приводит к умиранию аккумулятора. Свойства этого кристалла можно сравнить с кристаллом оксида алюминия. Например, алюминиевая ложка не растворяется в чае, хотя алюминий, в чистом виде, очень хорошо вступает в реакцию и с водой и с воздухом. Так вот, когда мы изготавливаем алюминиевую ложку, поверхностный слой практически сразу вступает в реакцию с воздухом и ложка покрывается тончайшим слоем оксида алюминия, который мы не видим, и именно этот слой защищает нашу ложку от растворения в чае (или в частности в воде).

Обратим внимание на процессы ускоряющие сулифатацию. Как раз недостаток воды, которая испаряется, очень сильно влияет на ускорение процесса. Мы только что обсудили перенасыщенный раствор сульфата. Так вот перенасыщение его произойдет быстрее, если в аккумуляторе не хватает воды, следовательно и оседание сульфата на поверхностях пластины пройдет быстрее.

Возвращаясь к нашим 100 молекулам — в связанном состоянии теряем группу SO4, далее при заряде мы уже получаем , к примеру, 50 молекул кислоты. Емкость аккумулятора изменилась в меньшую сторону.

Теперь вернемся к процессам заряда аккумулятора зарядными устройствами. Есть две (не будем сильнее углубляться в тему) основные схемы заряда аккумулятора, постоянным током (часто пишут IU) и постоянным напряжением (UI). Например, зарядные устройства Optimate используют первую схему. Она более правильная. Смысл ее в том, что в аккумулятор подается постоянный ток. Происходит та реакция, о которой мы говорили выше, оставшиеся наши молекулы, а их осталось 50, становятся снова кислотой. И так как замещать больше нечего, напряжение на пластинах повышается до 14,4В. Optimate понимает, что замещать больше нечего и переходит в другой режим работы. Дальнейший заряд не приведет к увеличению емкости, а лишь усугубит положение путем выпаривания воды из электролита.

Если мы заряжаем постоянным напряжением, то устройство не понимает, произошла ли вся замена растворенных молекул сульфата свинца на молекулы кислоты. А это ведет к тому, что дальнейшая подача тока в аккумулятор будет замещать не сульфат свинца, а непосредственно восстанавливать воду до молекул водорода и кислорода, выпаривая ее дальше из электролита. Процесс кипения аккумулятора — это активное выделение на пластинах водорода и кислорода приводит к визуальному представлению, что аккумулятор кипит. К чему приводит потеря воды мы рассмотрели выше.

Лучшие инструменты

Зарядное устройство Battery Service Expert, PL-C010P

14.4/14.7/16В, ток 2,5, 6, 10А, десульфатация — импульсы/16В, SLA, GEL, AGM, Ca/Ca

8 350 ₽

Как поднять плотность аккумулятора автомобиля?

Работоспособность аккумуляторной батареи в автомобиле должна всегда находиться на высшем уровне. Это может подтвердить каждый, кто в мороз столкнулся с проблемой запуска двигателя. Именно аккумуляторная батарея, а вернее её состояние играет решающую роль. Но, к сожалению, на любом автомобиле может произойти ситуация, когда двигатель еле-еле проворачивается, а панель приборов светит тусклым светом. Причина кроется в разряженном аккумуляторе.

Чтобы ответить на вопрос о причине разрядки аккумулятора, стоит задуматься, как давно производилась зарядка? Если недавно, то почему батарея не держит заряд? Бывает и так, что источник питания заряжает, а батарея всё равно не заряжается. Вышеописанные симптомы указывают на слишком низкую плотность электролита. Она отражает долю или количество серной кислоты, которая входит в состав раствора-реагента и должна примерно быть равной 1,27 г/см3. Возможны отклонения на одну-две сотых величины. Но при плотности ниже 0,25 аккумулятор не сможет запустить двигатель. Однако выносить приговор батарее ещё очень рано. Существует несколько способов приведения плотности к нормальным показателям и все они считаются действенными.

Вариант с добавлением дистиллированной воды не рассматривается, так как он применим при снижении уровня электролита, если точно известно, что не хватает именно воды, и утверждение, что кислота не выкипает – неверно. Небольшие отклонения плотности возможно скорректировать, не сливая полностью раствор, но некоторую его часть придётся откачивать спринцовкой. Нужно приобрести готовый электролит нормальной плотности и в каждой банке менять порцию старого электролита на новую. Постепенно плотность подойдёт к нормальному значению.

Если показатель содержания кислоты даже ниже 1,18, то вышеописанная процедура будет длиться долго, поэтому желательно прибегнуть к кардинальному методу – замене электролита. Его можно приготовить самостоятельно, имея под рукой ёмкости и ареометр – специальное устройство для измерения плотности. Удаляется старый электролит из корпуса батареи спринцовкой или через самостоятельно просверленные отверстия снизу. Впоследствии эти отверстия необходимо запаять.

Ещё один способ повысить долю кислоты в растворе – зарядка аккумулятора небольшим током. Дистиллированная вода начнёт постепенно выкипать. Таким образом, составляющая доля серной кислоты будет увеличиваться. Важно не забывать проверять уровень электролита при подобной процедуре. Как видно из примеров даже новичок может реанимировать аккумулятор. Вероятность же положительного исхода зависит от общего состояния АКБ.

Page not found — автомануал заказ автокниг с доставкой в любую точку мира

НАШИ ПАРТНЕРЫ:

Любой современный легковой или грузовой автомобиль можно обслуживать и ремонтировать самостоятельно, в обычном гараже. Все что для этого потребуется – набор инструмента и заводское руководство по ремонту с подробным (пошаговым) описанием выполнения операций. Такое руководство должно содержать типы применяемых эксплуатационных жидкостей, масел и смазок, а самое главное – моменты затяжки всех резьбовых соединений деталей узлов и агрегатов автомобиля. Итальянские автомобили – Fiat (Фиат) Alfa Romeo (Альфа Ромео) Lancia (Лянча) Ferrari (Феррари) Mazerati (Мазерати) имеют свои конструктивные особенности. Также в особую группу можно выделить все французские машины – Peugout (Пежо), Renault (Рено) и Citroen (Ситроен). Немецкие машины сложные. Особенно это относится к Mercedes Benz (Мерседес Бенц), BMW (БМВ), Audi (Ауди) и Porsche (Порш), в чуть меньшей — к Volkswagen (Фольксваген) и Opel (Опель). Следующую большую группу, обособленную по конструктивным признакам составляют американские производители- Chrysler, Jeep, Plymouth, Dodge, Eagle, Chevrolet, GMC, Cadillac, Pontiac, Oldsmobile, Ford, Mercury, Lincoln. Из Корейских фирм следует отметить Hyundai/Kia, GM-DAT (Daewoo), SsangYong.

Совсем недавно японские машины отличались относительно низкой первоначальной стоимостью и доступными ценами на запасные части, но в последнее время они догнали по этим показателям престижные европейские марки. Причем это относится практически в одинаковой степени ко всем маркам автомобилей из страны восходящего солнца – Toyota (Тойота), Mitsubishi (Мицубиси), Subaru (Субару), Isuzu (Исудзу), Honda (Хонда), Mazda (Мазда или как говорили раньше Мацуда), Suzuki (Сузуки), Daihatsu (Дайхатсу), Nissan (Ниссан). Ну, а машины, выпущенные под японо-американскими брендами Lexus (Лексус), Scion (Сцион), Infinity (Инфинити), Acura (Акура) с самого начала были недешевыми.

Отечественные автомобили также сильно изменились с введением норм евро-3. лада калина, лада приора и даже лада нива 4х4 теперь значительно сложнее в обслуживании и ремонте.

что делать если машина не заводится, как зарядить аккумулятор, как завести машину в мороз. ответы на эти вопросы можно найти на страницах сайта и книг. представленных здесь же

Автомануал — от англ. manual — руководство. Пособие по ремонту автомобиля или мотоцикла. различают заводские руководства и книги , выпущенные специализированными автомобильными издательствами.

Cайт Автомануал не несет никакой ответственности за возможные повреждения техники или несчастные случаи, связанные с использованием размещенной информации.

Инструкция по заряду аккумуляторной батареи

30 октября

Предлагаем Вам краткую инструкцию по заряду обслуживаемой свинцово-кислотного стартерного аккумулятора.

Данную процедуру лучше всего производить в конце лета, начало осени.

Соблюдайте последовательность, очередность не нарушать!

1. Отсоедините «минусовую» клемму а потом «плюсовую» клемму с аккумулятора. Занесите аккумулятор в помещение с температурой +18гр.с. и дождитесь пока температура аккумуляторной батареи будет такой же как и в помещении. Именно при такой температуре производится замер плотности электролита и заряд аккумуляторной батареи.
2. Заряд должен производится в хорошо проветриваемом помещении в дали от источников открытого огня, нагревательных приборов, открытых линий электропередач, вне доступа детей.
3. Вскройте все банки у аккумуляторной батареи, проверьте уровень, он должен быть выше на 10-15мм верхнего уровня пластин, или по меткам Min-Max на аккумуляторе.
4. В случае если аккумулятор у Вас не переворачивался, не опрокидывался и не было течи электролита, но в банках видны пластины не скрытые электролитов, долейте воды, что бы она слегка скрыла пластины.
5. Поставьте аккумулятор на заряд. Сила зарядного тока для стартерных АКБ должна составлять не более 10% её ёмкости. Пример: аккумулятор 75ач. т.е. максимальный ток заряда 7,5ампер. Меньше можно, больше нельзя.
6. Аккумуляторная батарея считается полностью заряженной, если на протяжении последних двух часов заряд плотность электролита и напряжение на клеммах не изменяется. В данном случае аккумулятор набрал максимально возможную для его состояния ёмкость.
7. По завершению заряда еще раз проверьте уровень и плотность электролита, желательно довести его до отметки Maх или 15мм выше верхнего уровня пластин, дисциллированной водой. Нормальная плотность для средних широт должна составлять 1,27, для южных регионов допускается 1,25-1,24, для северных 1,30-1,32.
8. Следует помнить в случае если после заряда плотность электролита низкая, значит аккумулятор потерял емкость. Как определить остаточную ёмкость?- каждая сотка падения плотности -6% ёмкости. Допустим, нормальная плотность 1,27 после заряда, доведения до уровня дисциллированной водой плотность стала 1,23, падение составило 0,04. Сотку умножаем на коэффициент падения. 4*6%= 24%. Мы имеем остаточную ёмкость 76% от первоначальной ёмкости аккумулятора. Если остаточная ёмкость 60% и менее, аккумулятор считается не работоспособным. Доведение плотности электролита с помощью концентрированной аккумуляторной кислоты к увеличению ёмкости не приведет.
9. После все процедур, плотно установите крышки банок на место, очистите контакты аккумулятора и клеммы автомобиля от отложений и окиси, протрите аккумулятор слабым раствором воды и пищевой соды, установите на место.
10. Не наносите смазки, такие как, солидол на клеммы перед установкой, помните, данная смазка является диэлектриком и не пропускает электрический ток. Лучше всего нанести специальную токопроводящую смазку на клеммы после монтажа и затяжки клемм на выводах аккумулятора или не наносить никакх смазок, если специальных у Вас нет. При установке сначала подключите клемму «плюс», только потом «минус».
11. Вы должны знать, что по мере разряда, снижения ёмкости аккумулятора, падает плотность электролита, а значит уменьшается температура застывания. Таблица представлена ниже.
12. Ни в коем случае не повышайте плотность выше чем рекомендовано для вашего региона, высока плотность приведет к разрушению пластин и преждевременному выходу из строя аккумулятора.

Надеемся, что данная информация была для Вас полезна.

Проверка и обслуживание кислотных аккумуляторных батарей

Маркировка аккумуляторных батарей читается так. Например, 6СТ54 цифра 6 показывает, что в батарее 6 аккумуляторов (банок), включенных последовательно, буквы СТ означают, что аккумуляторная батарея стартерная, а цифра 54 показывает номинальную емкость в амперчасах. При полной маркировке аккумуляторов вводятся дополнительные буквы, например, ¦—3СТ70ПДС; 3СТ70ПМСЗ.

Они указывают на материал, из которого изготовлены баки и сепараторы. Так, П — асфальтопеновый с кислотоупорной вставкой, Э — эбонит, материал сепараторов, М — мипласт, Д —дерево, Р— мипор, С — стекловойлок, МС — мипласт, комбинированный со стекловойлоком, ДС — дерево, комбинированное со стекловойлоком. Буква 3 обозначает, что батарея сухозаряжена.

Нужно иметь в виду, что аккумуляторные батареи работают в тяжелых режимах, а своевременное проведение технического обслуживания, их правильная эксплуатация имеют большое значение. Так, запуск двигателя стартером следует производить коротким включе. нием на 4—5 с. Перед повторным включением стартера следует сделать перерыв на 30—35 с. Это необходимо для восстановления емкости батареи. Длительное пользование стартером требует расхода тока большой силы. Происходит резкое и неравномерное расширение активной массы пластин. Она разрыхляется и сползает, а пластины коробятся.

Разрушаются пластины также при зарядке аккумуляторов большим током. Перезарядка повышает температуру и плотность электролита. При движении от сильной тряски активная масса положительных пластин разрушается. Высыпавшаяся масса скапливается на дне бака и замыкает пластины. Признак короткого замыкания — быстрый саморазряд и закипание электролита при зарядке аккумуляторной батареи.

Чтобы продлить срок службы аккумуляторной батареи, при каждом ТО1 необходимо очищать от грязи, пыли и электролита, иначе может произойти короткое замыкание между выводными штырями аккумуляторной батареи. Очищать батареи следует ветошью, смоченной в 10процентном растворе аммиака (нашатырном спирте) или соды. Затем батареи насухо вытирают чистой ветошью.

Следует проверить крепление батареи в гнезде. Под ней должна находиться подкладка из войлока или резины. Гайки крепления следует затягивать равномерно. Затягивать их излишне не рекомендуется, поскольку могут появиться трещины в баке аккумуляторной батареи.

Необходимо систематически проверять пробки аккумуляторов и состояние вентиляционных отверстий, уровень электролита в банках, крепления наконечников на выводных штырях, наличие окислов на них.

При втором техническом обслуживании проверяют плотность электролита в каждом из аккумуляторов и степень заряда элементов батареи.

Высоту уровня электролита проверяют стеклянной трубкой диаметром 3—5 мм с двумя рисками на расстоянии 10—15 мм от конца. Когда выворачивают пробку заливного отверстия аккумулятора, трубку опускают до упора в пластины. Зажимают ее верхнее отверстие пальцем, вынимают. Высота столбика в трубке электролита должна соответствовать высоте уровня электролита над верхним краем пластин, которая равна 10—15 мм. Как исключение, высоту уровня электролита можно проверить чистой деревянной палочкой.

Если уровень электролита находится ниже указанных величин, необходимо долить дистиллированную воду. Доливать в аккумуляторы электролит можно только в том случае, когда понижение уровня произошло изза его вытекания или расплескивания. Уровень электролита рекомендуется проверять в аккумуляторах летом через 5—6 дней, зимой через 10—15 дней.

Проверка плотности электролита производится с помощью денсиметра. Состоит он из стеклянной трубки; внутри находится ареометр со шкалой. Для набора электролита служит резиновая груша. Выворачивают пробки отверстий для залива электролита в аккумуляторы, сжимают резиновую грушу и погружают эбонитовый наконечник в электролит. Затем отпускают грушу, выжидают, пока уровень перестанет повышаться и ареометр не всплывет. Деление, до которого погружается ареометр, показывает плотность электролита.

Отсчет следует делать по нижнему краю вогнутой поверхности электролита. Если доливали воду, то сразу проверять не следует плотность электролита. Плотность электролита для заряженных аккумуляторных батарей на всех аккумуляторах (банках) должна быть одинаковой (смотреть статью под номером32).

В зависимости от температуры электролита плотность его меняется. Если температура электролита выше или ниже 15°С, то в полученное значение плотности необходимо внести температурную поправку, которая приведена в таблице 33. При температуре электролита более 15еС поправку нужно прибавлять к показаниям ареометра, при температуре электролита менее 15°С — вычесть, т. е. на каждые 15°С наблюдаются изменения 0,01. К примеру, плотность электролита при проверке оказалась равной 1,26. Температура электролита равна —15°С. Поправка при температуре —15°С составляет —0,02. Следовательно, приведенная к 15°С плотность равна 1,26—0,02=1,24.

Проверка напряжения батареи производится по плотности электролита один раз в месяц. Более точный результат проверки получают при пользовании нагрузочной вилкой модели ЛЭ2. Время выдержки —5—6 с. Если окажется, что аккумуляторная батарея разряжена более чем на 50% летом и более чем на 25% зимой, то ее нужно снять с автомобиля и поставить на зарядку.

Если проверяют батарею емкостью 40—65 амперчасов, включают большее сопротивление (0,018—0,020 Ом), которое находится между ножками нагрузочной вилки. Если производится проверка батареи емкостью 70—100 амперчасов, включается меньшее сопротивление (0,010—0,012 Ом). А при проверке батареи емкостью более 100 амперчасов следует включить одновременно оба сопротивления и по показаниям вольтметра судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

Приготавливать электролит следует только в кислотоупорной посуде (в эбонитовых, фаянсовых, керамических сосудах). Готовить электролит в стеклянной посуде нельзя, так как при разогреве раствора она может дать трещину.

Для приготовления электролита в посуду наливают дистиллированную воду, затем, непрерывно помешивая стеклянной палочкой воду, в нее вливают тонкой струей серную кислоту. Потребное коли чество серной кислоты для приготовления электролита приведено в таблице 34.

Приготавливая электролит, нужно помнить, что нельзя вливать воду в кислоту, так как вода, соприкасаясь с кислотой, быстро разлагается, вскипает и разбрызгивается. Это может привести к несчастному случаю. После приготовления электролит оставляют на 16— 20 часов, чтобы он остыл, а осадки выпали на дно. После отстоя осветленную чистую посуду, проверяют плотность, а если

часть сливают в нужно — доводят до нормы.

Повышение плотности электролита в АКБ

В холодное время года или после длительного простоя могут появиться проблемы с запуском двигателя. Это происходит из-за севшей АКБ. Длительная зарядка батареи не помогает справиться с этой проблемой, если плотность электролита значительно снизилась.

Почему снижается плотность

Плотность электролита изменяется во время использования аккумулятора. Когда батарея теряет заряд, показатель понижается, и наоборот. Очень низкая плотность электролита связана со следующими причинами:

• Влияние низких температур в течение длительного времени;
• Перезаряд АКБ, вследствие чего происходит выкипание электролита;
• Регулярное добавление воды.

Воду в электролит доливать можно, но перед этим нужно проверять его плотность и не проводить процедуру без необходимости. Делайте замеры в каждой банке. Нормальные значения – от 1,25 до 1, 29. Чем холоднее регион, тем выше должна быть плотность.

Как повысить плотность

Чтобы провести процедуру повышения плотности, следуйте плану.

1. Зарядите батарею (если АКБ разряжена, то при добавлении раствора, поднимется концентрация серной кислоты – пластины разрушается).
2. Температура электролита должна быть от 20 до 25 градусов.
3. Осмотрите аккумулятор: на нем не должно быть дефектов и повреждений, особое внимание уделите токовыводам.
4. Если уровень в норме (от 1,18) долейте электролит с нормальной плотностью до 1,25.
5. Выполняйте долив в каждой банке, используя клизму-грушу.
6. Потрясите аккумулятор, чтобы новый раствор перемешался со старым.

Что делать при минимальной плотности

Если уровень упал ниже 1,18 долив электролита не поможет. Используйте аккумуляторную кислоту − у нее очень высокая плотность (1,84). Заливайте кислоту по описанной выше схеме. Выполняйте процедуру в защитной одежде, перчатках и маске в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе. Следите, чтобы кислота не попала на кожу – может появиться ожог.

Повышение плотности зарядным устройством

Повысить плотность электролита можно при помощи слабого тока. Такой способ требует больше времени. 

1. Полностью зарядите АКБ.
2. Жидкость начнет выкипать, произойдет испарение дистиллированной воды.
3. Общий уровень электролита понизится.
4. Долейте новый электролит необходимой плотности.
5. Сделайте замеры ареометром.
6. Если показания недостаточны, повторите процедуру, пока плотность не достигнет 1,25 г/см3.

Не спешите выбрасывать аккумулятор, если машина стала плохо заводиться. Попробуйте восстановить АКБ методом повышения плотности электролита. Это займет немного времени, но продлит жизнь батареи на несколько сезонов и сэкономит деньги.

А чтобы продлить жизнь своему акб, соблюдайте простые правила ухода. Читайте.

Сравнение плотности энергии

Рисунки на этой странице были получены из разного количества источников при различных условиях. Сравнение аккумуляторных элементов затруднено, и любое фактическое сравнение должно использовать проверенные данные для конкретной модели аккумулятора.

работают по-разному из-за различных процессов, используемых разными производителями. Даже ячейка другой модели от того же производителя будет работать по-разному в зависимости от того, для чего они оптимизированы.

Вы также должны принять во внимание фактическое приложение, в котором используется аккумулятор. Это может существенно повлиять на производительность батареи, поэтому при выборе аккумуляторной батареи для вашего продукта следует учитывать множество факторов.

Для получения дополнительной информации см. Сообщение в нашем блоге о том, как выбрать тип элемента для использования в аккумуляторной батарее.

Сравнение плотности энергии в аккумуляторных элементах

Эта сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и гравиметрическую плотности энергии на основе голых аккумуляторных элементов.

Фото предоставлено НАСА — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

Плотность энергии, сравнение размеров и веса

Приведенная ниже сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и удельную плотности энергии, показывая меньшие размеры и меньший вес ячеек.

Спецификации Battery Chemistry

Замечательная плотность новой литиевой батареи обещает огромный запас хода для электромобилей.

Для того, чтобы электрические самолеты действительно взлетали, а электромобили могли путешествовать на гораздо большие расстояния между зарядками, нам понадобятся батареи, которые содержат гораздо больше энергии, не становясь чрезмерно тяжелыми.Группа специалистов в Германии продемонстрировала новую литий-металлическую батарею с плотностью, значительно превышающей значительный эталонный показатель 500 Втч / кг, и способностью сохранять свою производительность в течение сотен циклов.

Сегодняшние литий-ионные батареи прекрасно справляются с задачей поддержания работоспособности современного мира, от электромобилей до смартфонов и портативных компьютеров, но ученые видят большой потенциал, который можно раскрыть с помощью изменений в их архитектуре. Одна из наиболее многообещающих возможностей — замена графита, используемого в одном из электродов батареи, на чистый металлический литий, материал, который может удерживать в 10 раз больше энергии.

По этой причине металлический литий провозглашается некоторыми исследователями аккумуляторов «материалом мечты» и может помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но до сих пор технологии преследовали проблемы со стабильностью. Во многом это связано с побочными реакциями между раствором электролита, который несет ионы лития, и двумя электродами батареи, катодом и анодом.

Среди множества исследовательских групп, работающих над решением этой проблемы, есть команда из Технологического института Карлсруэ и Института Гельмгольца в Ульме (HIU), которые разработали проект, который в значительной степени позволяет обойти эту проблему.Исследователи начали с того, что описывается как слоистый катод с низким содержанием кобальта и никеля (NCM88) и коммерчески доступный органический электролит под названием LP30. В то время как катод достиг высокой плотности энергии, вскоре возникла нестабильность, и емкость аккумулятора уменьшилась при включении батареи.

«В электролите LP30 частицы трескаются на катоде, — объясняет профессор Стефано Пассерини, директор HIU. — Внутри этих трещин электролит реагирует и повреждает структуру. Кроме того, на аноде образуется толстый покрытый мхом слой, содержащий литий.”

Итак, команда заменила электролит LP30 на альтернативный, который позволил значительно повысить производительность. Описанный как нелетучий, трудновоспламеняемый, двуханионный ионный жидкий электролит (ILE), этот ингредиент в значительной степени предотвращает структурные дефекты на катоде и спасает батарею от фатальных электрохимических реакций.

«С помощью ILE можно значительно уменьшить структурные модификации катода с высоким содержанием никеля», — говорит д-р Гук-Тэ Ким.

И результаты по праву называют «замечательными». Литий-металлический аккумулятор с такой архитектурой имел плотность энергии 560 Втч / кг. Для контекста существуют исследовательские консорциумы, посвященные преодолению порогового значения плотности 500 Втч / кг для обеспечения электропитания электромобилей следующего поколения, в то время как лучшие в своем классе литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии от 250 до 300 Втч / кг. .

Ранее в этом году мы сообщали о рекордной литий-металлической батарее с плотностью энергии 350 Втч / кг, которая сохранила 76 процентов своей емкости в течение 600 циклов.Что касается долговечности, новая конструкция литий-металлической батареи также показала себя замечательно, начиная с начальной емкости 214 мАч / г в катодном материале и сохраняя 88 процентов от этой емкости в течение 1000 циклов.

Фанглин Ву и д-р Маттиас Кюнцель, KIT / HIU

Еще одна область, в которой новые литий-металлические батареи оказались очень эффективными, заключалась в ее кулоновской эффективности, которая связана с тем, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом.Зарядка 100 ионов лития с последующим возвратом 100 ионов лития после разрядки обеспечит 100-процентный кулоновский КПД, и, по словам Йи Цуй, профессора материаловедения и инженерии, а также фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, коммерческим батареям требуется КПД не более 100%. минимум 99,9 процента, чтобы быть жизнеспособными. Создатели этой новой литий-металлической батареи сообщают, что средняя кулоновская эффективность составляет 99,94 процента.

Предстоит проделать большую работу, чтобы воплотить эти многообещающие результаты на лабораторных элементах в реальный мир, но стабильная батарея с такой высокой плотностью энергии может изменить правила игры, когда дело доходит до электрического транспорта.Например, электрические самолеты сильно ограничены плотностью энергии современных батарей и поэтому могут преодолевать относительно короткие расстояния. Ограниченный диапазон электромобилей можно в некоторой степени решить путем расширения инфраструктуры зарядки, но тип высокого отношения энергии к весу, наблюдаемый в этой батарее, может позволить им преодолевать огромные расстояния и многое сделать для подавления так называемого беспокойства по поводу дальности полета среди потенциальные покупатели.

Исследование опубликовано в журнале Джоуль.

Источник: Технологический институт Карлсруэ

Tesla Musk намекает на увеличение емкости аккумуляторов перед отраслевым событием

СЕУЛ (Рейтер) — Генеральный директор Tesla Inc TSLA.O Илон Маск предположил, что американский производитель электромобилей сможет массово производить аккумуляторы с увеличением плотности энергии на 50% через три-четыре года, что может позволить даже электрические самолеты.

ФОТО ФАЙЛА: Генеральный директор Tesla Inc Илон Маск выступает на церемонии открытия китайской программы Tesla Model Y в Шанхае, Китай, 7 января 2020 года.REUTERS / Aly Song

Его комментарии появились в связи с растущими слухами об объявлениях на ожидаемом мероприятии Tesla «День батареи», где ожидается раскрытие того, как компания улучшила характеристики своей батареи.

“400 Вт · ч / кг * с * большим сроком службы, произведено в больших количествах (а не только в лаборатории), недалеко. Вероятно, 3–4 года », — написал Маск в понедельник в Твиттере в ответ на ветку в Твиттере Сэма Коруса, аналитика ARK Investment Management LLC, о том, почему Маск все время намекает на электрический самолет Tesla.

Исследователи заявили, что удельная энергия аккумуляторов Panasonic 6752.T «2170», используемых в Tesla Model 3, составляет около 260 Втч / кг, что означает скачок на 50% от текущей плотности энергии, что является ключом к достижению большего запаса хода.

Маск сказал в прошлом году, что для того, чтобы электрический полет работал, удельная энергия аккумуляторов должна повыситься до более чем 400 Втч / кг, порог, который может быть достигнут через пять лет.

Производитель электромобилей также показал изображение, на котором несколько точек сгруппированы в линии, что вызвало спекуляции среди СМИ и фанатов о том, что будет показано на мероприятии.(здесь)

Южнокорейский эксперт по аккумуляторным батареям Пак Чул Ван сказал, что изображение может намекать на «кремниевый нанопроволочный анод», революционную технологию, которая потенциально может резко увеличить как плотность энергии батареи, так и срок ее службы.

Компания Panasonic Corp 6752.T ранее сообщила агентству Рейтер, что планирует повысить удельную мощность оригинальных аккумуляторных батарей «2170», которые она поставляет Tesla, на 20% за пять лет.

Tesla также работает с китайской Contemporary Amperex Technology Ltd (CATL) 300750.В мае агентство Reuters сообщило, что SZ представит новую недорогую батарею с длительным сроком службы в своем седане Model 3 в Китае в конце этого или в начале следующего года, с батареями, рассчитанными на миллион миль использования.

Tesla заявила, что ее День батареи состоится в тот же день, что и годовое собрание акционеров 2020 года 22 сентября.

Очень «ограниченное количество акционеров» сможет присутствовать на обоих мероприятиях из-за пандемии. связанные ограничения, сказал Тесла, и будет проведена лотерея для выбора участников.

Репортаж Хёнджу Джина и Макико Ямазаки; Под редакцией Жаклин Вонг и Дэвида Эванса

NanoGraf достиг вехи по плотности энергии для своего

ЧИКАГО, 10 июня 2021 г. (ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ) — Чтобы помочь нам лучше понять наше электрическое будущее, NanoGraf , компания по производству передовых материалов для аккумуляторов, объявила сегодня, что обеспечила самую высокую в мире плотность энергии в цилиндрических литий-ионных элементах 18650. — тот, который обеспечивает на 28 процентов больше времени работы, чем традиционные химические элементы.

При финансовой поддержке Министерства обороны США и других, группа ученых, технологов и инженеров NanoGraf представила сегодня элемент на основе кремниевого анода мощностью 800 ватт-час на литр (Втч / л), который обеспечивает убедительные преимущества для практически любое применение — от бытовой электроники до аккумуляторов электромобилей и аккумуляторов для оборудования, которое солдаты используют во время боевых действий.

«Это прорыв для индустрии аккумуляторов», — сказал президент NanoGraf, д-р.Курт (Чип) Брайтенкамп. «Плотность энергии вышла на плато, увеличившись всего на восемь процентов или около того за последнее десятилетие. Мы только что достигли 10-процентного прироста менее чем за год. Это более чем десятилетие инноваций в одной технологии ».

Одна из самых больших возможностей для более энергоемких аккумуляторов связана с электромобилями, где «беспокойство о запасе хода» является основным препятствием для массового внедрения. Новая технология ячеек NanoGraf может незамедлительно дать толчок развитию электромобилей, таких как Tesla Model S, которая прослужит на одной зарядке примерно на 28 процентов дольше по сравнению с аналогичными транспортными средствами на дорогах сегодня.

Помимо коммерческих приложений, аккумулятор с поддержкой NanoGraf также значительно улучшает характеристики военной электроники и оборудования, переносимых солдатами. Патрульные американские солдаты несут более двадцати фунтов литий-ионных батарей, что часто является второй по весу категорией снаряжения после бронежилетов. Батареи NanoGraf сокращают время работы снаряжения американских солдат и могут снизить вес их аккумуляторных батарей более чем на 15 процентов.

Это объявление последовало за периодом быстрого роста компании.В прошлом году министерство обороны США предоставило NanoGraf грант в размере 1,65 миллиона долларов на разработку долговечных литий-ионных батарей для питания военной техники США. В 2019 году Совет по автомобильным исследованиям США, консорциум Ford, General Motors и US FCA, который производит автомобили Chrysler, Jeep, Dodge, Ram и FIAT, предоставил компании $ 7,5 млн на исследования и разработки аккумуляторных батарей для электромобилей. .

Для получения дополнительной информации о NanoGraf, материалах и технологиях кремниевых анодных аккумуляторов посетите веб-сайт www.nanograf.com .

О NanoGraf
NanoGraf — это производитель передовых материалов для аккумуляторов, чья запатентованная технология кремниевого анода позволяет использовать литий-ионные аккумуляторы с более длительным сроком службы, повышенным энергопотреблением и повышенной мощностью. NanoGraf работает с более чем 50 компаниями, в том числе с некоторыми из ведущих мировых брендов бытовой электроники, бытовой техники и электроинструментов, а также с более чем 12 стратегическими партнерами в области электромобильности (от стартапов до компаний из списка Fortune 100).NanoGraf является дочерним предприятием Северо-Западного университета и Аргоннской национальной лаборатории. Для получения дополнительной информации посетите www.nanograf.com .

Контакт для СМИ
Джиллиан Смит
[email protected]

Фотография, сопровождающая это объявление, доступна по адресу https://www.globenewswire.com/NewsRoom/AttachmentNg/646df4ac-916f-4f42-b2af8

Как мы доберемся до следующего крупного прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени.Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнения.По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два столетия тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи снова действительно изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удержать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия батарей, которая у нас есть в настоящее время, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав в течение как минимум еще одного десятилетия или более. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея что-то питает, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, в буханке NMC между каждым ломтиком находятся ионы лития. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной буханке батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда аккумулятор нужно зарядить снова.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), который имеет структуру «оливина» в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

В настоящее время Leclanché использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль пристыковывается, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — инерцию.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям в Университете Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов. Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составляла около 175 долларов за киловатт-час, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость батарей упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем газовый автомобиль в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут отдавать предпочтение электромобилям просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть больше кВтч в батарейный блок, не снижая его цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать только относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем он перестанет работать.Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя серия инноваций за последние несколько десятилетий подтолкнула энергетическую плотность катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом.Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слабый, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои анодные конструкции; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется. Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто сделать корпус больше, чтобы приспособиться к этому вздутию, потому что расширение разрушает то, что называется «межфазной границей твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину. Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита.SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается. И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, кремний рассеивается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы.Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда. Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергнуть 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI.У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии. Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, направленные на накопление большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy выпустила на рынок литий-металлический аккумулятор для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны на современных литий-ионных батареях, начали взрываться в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог возгорания.Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы. С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету.Усилия по увеличению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей.Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения. Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 миллионов долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансировке

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с батарейками — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

На данный момент химики, занимающиеся аккумуляторными батареями, обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), им приходится идти на компромисс в отношении другой характеристики (например, безопасности). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — по мнению Йет-Мин Чанга из Массачусетского технологического института, сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад, — шансы на успех возрастают. Потенциал аккумуляторов остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых аккумуляторах с хорошей долей скептицизма.

Задняя страница

Лопнул ли пузырек батареи?

Подключаемый гибрид Ford Energi 2013 года на фоне моста Золотые Ворота.

Оптимизм почти исчез в этом году на пятой конференции из серии масштабируемых накопителей энергии в Беркли, Калифорния. Объявление о симпозиуме гласит: «Хотя появляются новые электромобили с усовершенствованными литий-ионными батареями, необходимы дальнейшие прорывы в области масштабируемого хранения энергии, помимо современных литий-ионных батарей, прежде чем можно будет в полной мере использовать преимущества электрификации транспортных средств. осуществленный.Настроение было осторожным, так как ясно, что литий-ионные батареи созревают медленно, и что их ограниченная плотность энергии и высокая стоимость не позволят производить полностью электрические автомобили для замены основного американского семейного автомобиля в обозримом будущем. «Будущее туманно», — резюмировал конференцию Венкат Сринивасан, возглавляющий программу исследования аккумуляторов в лаборатории Беркли.

Электромобили имеют долгую историю. Они были популярны на заре автомобильной эры: 28 процентов автомобилей, произведенных в Соединенных Штатах в 1900 году, работали на электричестве.Однако ранняя популярность электромобилей пошла на убыль, когда Генри Форд в 1908 году представил серийно выпускаемые автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Бензин был быстро признан природным идеальным топливом для автомобилей: он обладает очень высокой плотностью энергии как по весу, так и по массе. и по объему — примерно в 500 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов — и они были многочисленными, недорогими и, казалось бы, неограниченными в поставках. К 1920-м годам электромобили перестали быть коммерчески выгодными и исчезли со сцены. Они не появлялись снова до конца 20-го века, когда бензин стал дорогим, запасы больше не казались безграничными, а обеспокоенность по поводу возможного воздействия сжигания ископаемого топлива на глобальный климат достигла общественной осведомленности.

Электромобили возвращаются с появлением химических батарей, которые более эффективны, чем старые свинцово-кислотные батареи. Новое поколение электромобилей представлено гибридными электромобилями (HEV), гибридными автомобилями с подключаемым модулем (PHEV) и полностью электрическими или аккумуляторными электромобилями (BEV). Большинство электромобилей последнего поколения питаются от литий-ионных аккумуляторов с использованием технологий, впервые разработанных для портативных компьютеров и мобильных телефонов.

Обеспечение автомобилей электричеством, а не бензином дает двойное преимущество: в конечном итоге мы избавляемся от зависимости от импортных ископаемых видов топлива и работаем на автомобилях с использованием возобновляемых источников энергии.Устранение зависимости от нефти, импортируемой из часто недружественных стран, значительно улучшит нашу энергетическую безопасность, а использование энергии для автомобилей из зеленой сети с использованием солнечных и ветровых ресурсов значительно снизит количество CO ₂ , выбрасываемого в атмосферу.

Основным препятствием на пути замены основного американского семейного автомобиля электромобилем является производительность аккумуляторной батареи. Наиболее важной проблемой является плотность накопления энергии как по весу, так и по объему. Современная технология требует, чтобы электромобиль имел большую и тяжелую батарею, обеспечивающую меньший запас хода, чем автомобиль, работающий на бензине.

Батареи дороги, поэтому электромобили обычно намного дороже, чем автомобили аналогичного размера, работающие на бензине. Существует разумный предел затрат, когда стоимость электромобиля и электроэнергии, потребляемой в течение срока службы автомобиля, значительно превышает стоимость автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, включая бензин, в течение всего срока службы автомобиля.

Безопасность — это вопрос, который много обсуждается в прессе. Хотя в Америке ежегодно происходит более 200 000 пожаров в автомобилях, работающих на бензине, существует широко распространенный страх перед электричеством.Аккумуляторы в автомобилях, работающих от электричества, наверняка сгорят в некоторых сценариях аварий; риск возгорания, вероятно, будет таким же, как у автомобилей с бензиновым двигателем.

Энергия, запасенная в топливе, значительна: бензин — рекордсмен — 47,5 МДж / кг и 34,6 МДж / литр; бензин в полностью заправленном автомобиле имеет такое же энергосодержание, как тысяча динамитных шашек. Литий-ионный аккумулятор имеет около 0,3 МДж / кг и около 0,4 МДж / литр (Chevy VOLT). Таким образом, бензин имеет примерно в 100 раз большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор.Эта разница в плотности энергии частично компенсируется очень высокой эффективностью электродвигателя при преобразовании энергии, накопленной в батарее, для движения автомобиля: обычно он имеет КПД 60-80 процентов. Эффективность двигателя внутреннего сгорания по преобразованию энергии, запасенной в бензине, для движения автомобиля обычно составляет 15 процентов (EPA 2012). При соотношении около 5 аккумулятор с плотностью хранения энергии 1/5 от плотности бензина будет иметь такой же запас хода, что и автомобиль с бензиновым двигателем.В настоящее время мы даже не приблизились к этому.

Электроэнергия для автомобиля значительно эффективнее, чем для бензинового двигателя с точки зрения потребления первичной энергии. В то время как эффективность использования энергии электромобилем очень высока, большинство электростанций, производящих электричество, эффективно преобразовывают первичную энергию в электроэнергию, поставляемую потребителю, лишь на 30 процентов. Превращение нефти в бензин очень эффективно. В результате электричество имеет коэффициент 1.6 улучшение использования первичной энергии по сравнению с бензином, и это важный момент в его пользу.

В отчете APS за 2008 год по энергоэффективности были рассмотрены статистические данные о том, сколько миль проезжают американцы в день. Вывод этого исследования заключался в том, что полный парк PHEV с запасом хода на электротяге в 40 миль (60 км) может снизить потребление бензина более чем на 60 процентов. Таким образом, Америке может не понадобиться полный парк BEV для достижения очень значительного сокращения использования бензина.

Неоспоримый вопрос заключается в том, могут ли электромобили обеспечить удобство, стоимость и запас хода, необходимые для замены их бензиновых аналогов в качестве основного стандартного американского семейного автомобиля.И это почти полностью зависит от состояния разработки аккумуляторов, вкупе с проблемами экологизации энергосистемы и обеспечения широкой инфраструктуры для подзарядки электромобилей.

Сегодняшний ответ неоднозначен:

• HEV уже популярны, хотя сегодня они составляют лишь небольшую часть автомобилей. Нынешнее поколение аккумуляторов подходит для двигателей HEV, и запас хода не является проблемой, поскольку 100 процентов энергии, необходимой для питания автомобиля, вырабатывается бензином.Стоимость покупки выше, чем у обычного автомобиля; Преимущество заключается в улучшении экономии топлива на 40 и более процентов (EPA 2012).

• PHEV теперь поступают на рынок (рис. 1). Электрический диапазон ограничен, а батареи, имеющиеся в наличии в настоящее время, лишь частично подходят. Общий запас хода не является проблемой, поскольку бензин хранится на борту в качестве «расширителя диапазона».

• BEV, поступающие на рынок, дороги, а диапазон слишком мал для многих американских водителей, по крайней мере, в качестве основного семейного автомобиля.Батареи с гораздо более высокой плотностью накопления энергии и более низкой стоимостью необходимы для того, чтобы BEV стали популярными за пределами ограниченного рынка высококлассных городских жителей в качестве второго автомобиля, который будет использоваться для местного транспорта, где возможна домашняя подзарядка и где время зарядки ограничено. проблема.

Требования к батареям для HEV, PHEV и BEV различны. Батарея для HEV не должна хранить много энергии, но должна иметь возможность быстро накапливать энергию от рекуперативного торможения. Поскольку он работает в ограниченном диапазоне заряда / разряда, его срок службы может быть очень долгим.Аккумулятор PHEV должен иметь гораздо большую емкость хранения энергии для достижения разумного электрического диапазона и будет работать со значительно большим диапазоном заряда / разряда, что ограничивает срок службы аккумулятора. Аккумулятор для BEV должен обеспечивать всю энергию для питания автомобиля на всем его диапазоне — скажем, 150–300 км — и должен использовать большую часть своего диапазона заряда / разряда. Эти требования означают, что аккумулятор для BEV будет большим, тяжелым, дорогим и с ограниченным сроком службы. Замена батареи на BEV может повлечь за собой расходы, превышающие десять тысяч долларов, которые, разделенные на пробег, вероятно, значительно превысят стоимость электроэнергии для питания автомобиля.

Симпозиум в Беркли 2012 был посвящен двум альтернативным химическим соединениям: литий / кислород (литий / воздух) и литий / сера. Оба теоретически предлагают гораздо более высокую плотность энергии, чем это возможно даже при теоретическом пределе развития литий-ионных аккумуляторов. Однако технические трудности в создании практичной батареи с хорошей способностью к перезарядке с использованием любого из этих химических компонентов являются значительными.

Существуют серьезные исследовательские проблемы, касающиеся всех аспектов батареи: катода, анода и электролита, а также поверхностей раздела материалов и возможных производственных проблем.Литий-воздушная (Li / O ₂ ) батарея требует охлажденного сжатого воздуха без водяного пара или CO ₂ , что значительно усложняет систему литиево-воздушной батареи. Литий-воздушная батарея будет больше и тяжелее литий-ионной, что делает маловероятной перспективу использования в автомобилях в ближайшем будущем. Однако ведущая группа по разработке аккумуляторов в IBM написала в 2010 году статью о литий-воздушных батареях; «Автомобильные силовые батареи только начинают переход от никель-металлогидридных к литий-ионным батареям после почти 35 лет исследований и разработок последних.Переход на воздушно-литиевые батареи (в случае успеха) следует рассматривать с точки зрения аналогичного цикла разработки ». Возможно, нам нужно набраться терпения.

Для разработки и улучшения характеристик батарей используются многие подходы, включая исследования с использованием нанотрубок, нанопроволок, наносфер и других наноматериалов. Однако ни один из исследователей не сообщил о прогрессе до такой степени, что можно было бы представить практическую батарею, использующую Li / air или Li / S.

Томас Греслер, менеджер группы по проектированию элементов в лаборатории электрохимических исследований энергии General Motors, был пессимистичен в отношении перспектив нового химического состава аккумуляторов: «Мы не инвестируем в технологию литий-воздушных и литий-серных аккумуляторов, потому что мы не думаем от с автомобильной точки зрения, в обозримом будущем это принесет существенные выгоды.”

Существенной инфраструктурной проблемой является сеть, которую необходимо будет построить для подзарядки батареи BEV. В США более 120 000 автозаправочных станций. Поскольку диапазон современного BEV составляет менее трети диапазона бензинового автомобиля, потребуется очень большое количество станций подзарядки в дополнение к домашней зарядке, что может быть осуществимо только для тех, кто живет в частные дома или многоквартирные дома с выделенной парковкой.

Зарядка электромобиля занимает часы, и даже быстрая зарядка займет больше времени, чем большинство людей готовы ждать. А зарядка должна производиться ночью, когда выработка электроэнергии и мощность сети наиболее доступны.

Исследования аккумуляторов финансируются на скромном уровне, поскольку среди общественности и политиков существует ложное представление о том, что характеристики аккумуляторов достаточны для повсеместного признания электромобилей на аккумуляторных батареях. Национальное внимание уделяется возобновляемым источникам энергии.Соединенные Штаты не станут независимыми от иностранной нефти и сжигания ископаемого топлива до тех пор, пока не будут разработаны новые аккумуляторные технологии. Это потребует согласованных национальных усилий в области науки и технологий, что потребует значительных затрат.

Фред Шлахтер недавно вышел на пенсию с должности физика в Advanced Light Source Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Он является соавтором отчета APS за 2008 год «Энергетическое будущее: думайте об эффективности», для которого он написал главу о транспорте.

«Закон Мура» для батарей?

Нет ли какого-то «закона Мура» для аккумуляторов? Почему прогресс в увеличении емкости батареи настолько медленный по сравнению с увеличением вычислительной мощности компьютера? Существенный ответ заключается в том, что электроны не занимают места в процессоре, поэтому их размер не ограничивает возможности обработки; пределы задаются литографическими ограничениями.Ионы в батарее, однако, занимают место, а потенциалы определяются термодинамикой соответствующих химических реакций, поэтому можно значительно улучшить емкость батареи только за счет перехода на другой химический состав.

Три аккумуляторных технологии, которые могут обеспечить будущее | Saft аккумуляторы

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

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

Производители аккумуляторов постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и мощные химические продукты.Мы поговорили с директором Saft по исследованиям Патриком Бернардом, который рассказал о трех новых технологиях аккумуляторов 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 разрушительных активных материалов должны раскрыть существующие ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность. Кроме того, с этими новыми соединениями также 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 точно настроить за счет большого выбора конструкции и химического состава элементов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также способность к циклическим нагрузкам, как правило, 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 батареях 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 батарее Li-S используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

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

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

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.