Села батарейка: что происходит на рынке сохранения энергии. Все о литий-ионных аккумуляторах Статья

Что происходит на рынке сохранения энергии

Содержание

Типы энергетических систем

Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии.Такие системы бывают нескольких типов:

  • Электрооборудование

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

  • Механические

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Плотина Братской ГЭС
Плотина Братской ГЭС

(Фото: wikipedia.org)
Накопители сжатого воздуха
Накопители сжатого воздуха

(Фото: electricalschool.info)

  • Тепловые

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем
Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем

(Фото: Affiliated Engineers)

  • Химические

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но и здесь есть достаточно важные моменты. Отметим, что некоторые особенности мы будем подробно разбирать в следующем разделе, так как они очень важны.

  • Дорогие (относительно других АКБ);
  • При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк;
  • Срок службы зависит от времени использования;
  • Опасность взрыва или возгорания;
  • Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки;
  • Недопустимы механические повреждения;
  • Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Как проверить работоспособность АКБ

Для того, чтобы проверить работоспособность литий ионного аккумулятора, необходимо для начала полностью зарядить батарейку. После чего подключить ее одним концом к тестеру, а другим к нагрузочному резистору.

Тестер покажет емкость, ток и напряжение. Достаточно сравнить полученные показатели с базовыми параметрами батареи. Сильное отклонение в меньшую сторону будет означать, что устройство медленно выходит из строя.

Эксплуатация и срок службы

Батарея такое же сложное устройство, как и телефон, разве что выполняет только одну функцию. Именно поэтому, чтобы максимально эффективно использовать все возможности акб, рекомендуется ознакомиться с тем, как правильно пользоваться и хранить батарею. Это также поспособствует продлению срока службы.

Как правильно эксплуатировать

Необходимо стараться не допускать полного разряда батареи. Этот процесс легко контролировать. Но помимо этого также требуется следить за правильным ходом заряда.

При процессе заряда аккумуляторной батареи необходимо не допускать избыточного подключения к устройству зарядки. Литий ионный АКБ корректно работает и заряжается при напряжении до 3.6 В. Как правило, зарядные устройства подают 4.2 В. При превышении времени заряда в корпусе могут провоцироваться небезопасные электрохимические реакции. Это может повлечь за собой перегревание и вздутие.

Разрядные характеристики

При разработке была учтена такая особенность и при превышении напряжения выше рекомендуемого показателя, процесс заряда останавливается. Также литиевые АКБ правильно заряжать именно двухступенчатым способом. Первым этапом происходит зарядка накопителя на постоянном токе, вторым постоянным напряжением с постепенным понижением тока. Данный алгоритм уже реализован во многих зарядных устройствах.

Срок службы

Срок службы батареи напрямую зависит от правильного использования. Например, при несоблюдении рекомендаций в эксплуатации литий ионных аккумуляторов этот период сокращается в 10 раз. Принято считать, что АКБ способны выдержать 500-1000 циклов заряд-разряд, в этом случае учтен фактор полного разряда. При остатке даже минимального процента заряда можно увеличить срок службы устройства на порядок.

Зависимость емкости от циклов разрядов

Нельзя назвать точный срок работоспособности данного типа устройств, так как длительность напрямую зависит от условий использования. Но все же ориентировочно одна литий ионная батарейка может корректно выполнять свои функции на протяжении 8-10 лет с учетом того, что ее использование будет происходить строго по рекомендациям.

Хранение и утилизация

Данный тип аккумуляторов достаточно просто хранить. Как правило, саморазряд при корректном хранении составляет около 10-15 % в год. Но этот показатель может меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от условий консервации.

Важно! Даже при идеальных условиях хранения литий ионных аккумуляторов все равно будет происходить процесс деградации элементов.

При возникновении необходимости длительной консервации аккумулятора типа Li-ion требуется позаботиться о минимизации негативного воздействия на акб:

  1. Место для хранения должно быть сухим, с небольшим показателем влажности. Требуется исключить риск ударов, возникновения вибрации и непосредственное соседство с открытым огнем или нагревательными элементами.
  2. Температура хранения литий ионного аккумулятора не должна быть ниже нуля. Оптимально хранить устройство при 5-25 градусах.
  3. Перед консервацией устройства вынимают из прибора. Также предварительно заряжают полностью.

Главное учесть, что любой контакт с водой негативно скажется на состоянии аккумулятора. Хранить при соблюдении всех рекомендаций устройство можно в течение нескольких лет. Важно понимать, что это не убережет батарею от уменьшения емкости.

Зависимость от температуры

Утилизировать АКБ требуется путем сдачи в предприятия, которые на этом специализируются. Просто выбрасывать батарею строго запрещено. Дело в том, что более чем половина устройства, вышедшего из строя, используется повторно для производства новых батарей.

Безопасность

Основная проблемы по защите литий ионного аккумулятора на сегодняшний день решена. Специальная электронная защита в виде встроенного контролера держит под надзором все процессы, происходящие во время заряда и разряда (т.е. при использовании АКБ по назначению). Помимо этого, постоянно усовершенствуется материал для изготовления катода. Приоритетно сейчас стоит возможность сделать его термически стабильным.

Также Li-Ion оснащены специальной защитой, которая реагирует на внутреннее замыкание цепи. Помимо этого, немногие типы АКБ этого рода защищены от внешнего короткого замыкания. Защита внутри устройства состоит из двух слоев сепараторов. Один из слоев изготовлен из полипропилена, другой из аналогичного этому материалу вещества. В случае возникновения короткого замыкания второй из слоев просто плавится, что делает его непроницаемым. И рост дендритов лития, стремящихся к положительному электроду, прекращается.

Две батарейки

Производители стали встраивать в корпус батареи контролеры заряда, чтобы избежать возможность самовозгорания.  Это устройство держит под контролем температуру внутри корпуса батарейки, глубину заряда, а также количество тока, потребляемого АКБ.

Но несмотря на этот тип усовершенствований даже сегодня есть много сообщений о взрывах аккумуляторов. Довольно часто это случается в телефонах. Эти случаи объясняются тем, что не все производители литий ионных АКБ пользуются такими контролерами. Отказ мотивируется улучшением показателей емкости самой батареи, а также удешевлением производства. Так что, если батарея вздулась спустя некоторое время после эксплуатации — это верный признак того, что производитель сэкономил на производстве.

Но даже такая опасная возможность, как возгорание, которую можно устранить, делает литий ионные аккумуляторы лучше, чем предшествующие аналоги по всем характеристикам. Данный тип батареи работает намного дольше благодаря высокой емкости, низкий уровень пассивного разряда продляет срок годности. Также батареи типа Li-ion не нужно дополнительно обслуживать. А при выходе из строя устройства его дешевле заменить, чем отремонтировать.

Требования к режимам заряда/разряда

Требуется тщательно следить за уровнем разряда аккумулятора. Дело в том, что полный разряд батареи негативно сказывается на его характеристиках. Также возможен полный вывод из строя после глубокого разряда.

Помимо этого, на срок службы литий ионных аккумуляторов непосредственно сказывается уровень разряда перед зарядом и произведение зарядки при помощи токов номиналом выше рекомендованного производителем. Такой тип довольно чувствителен к напряжению зарядного устройства. Например, если использовать вспомогательный прибор с напряжением выше рекомендованного на 3-4 процента, то батарея потеряет емкость в два раза быстрее.

Ток заряда находится в непосредственной зависимости от разницы напряжения аккумулятора и устройства.  А также от сопротивления АКБ и проводов, подводимых к нему. При простых расчетах выходит, что при увеличении напряжения зарядного устройство на 4%, ток заряда возрастет в 10 раз. Такой скачок негативно скажется на работоспособности аккумулятора. Также это увеличивает возможность перегрева.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые литий-ионные батарейки Sony
Первые литий-ионные батарейки Sony

(Фото: Sony)

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

Читайте также: Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

  • Высокая пожароопасность

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Возгорание смартфона Samsung Galaxy Note 7

  • Чувствительность к температурам

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

  • Саморазряд

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

  • Старение

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Плюсы электромобиля
Плюсы электромобиля
Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарея тесла
батарея тесла
батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла
радиатор для аккумуляторов Тесла
радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

литий-ионный аккумулятор строение
литий-ионный аккумулятор строение
строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор строение
литий-ионный аккумулятор строение
литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

зарядка литий-инного аккумулятора
зарядка литий-инного аккумулятора
процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

и в конце концов достигают графита

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

где очень удобно располагаются в слоях графита.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Батареи Solid Energy
Батареи Solid Energy

(Фото: nikkei.com)

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Кроме того, крупные компании больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов, которые отвечают потребностям их продукции. Lux Research сообщала, что вложила в исследование хранения энергии около $4 млрд, а стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем, досталось по $40 млн. Tesla вложила около $5 млрд в Gigafactory, занимающуюся литий-ионным производством. А США намерены дополнительно субсидировать такое производство, чтобы стать более независимой от внешних рынков страной.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Преимущества

К ключевым преимуществам относят следующие параметры:

  • Очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
  • Высокий ток при работе;
  • Нет необходимости в обслуживании;
  • Саморазряд очень низкий;
  • Готовность к эксплуатации в любой момент;
  • Нет эффекта памяти;
  • Возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
  • Диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

Виды литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы стали востребованы во многих сферах. Помимо использования в гаджетах, бытовых устройствах и автомобилях, выпускают и АКБ для промышленного использования, который имеют высокое напряжение и емкость. Самыми востребованными считаются АКБ, представленные в таблице.

Таблица востребованных АКБ

Две цифры первые в ряду указывают на размер диаметра батареи, вторые две на длину. Нуль ставится в случае цилиндрической формы. Также выпускаются АКБ подтипа «Крона» с напряжением в 9 Вольт.

Обозначения батареи указывают на содержание элементов, например, как:

  • ICR – кобальта;
  • IMR – марганца;
  • INR – никеля и марганца;
  • NCR –кобальта и никеля.

Виды li ion аккумуляторов в основном отличаются размерами, химическим составом, а также по емкости и напряжению.

Характеристики

В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

  • Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
  • Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
  • Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
  • Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от  — 30 до +50°С, но в некоторых моделях  может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
  • Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода  литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
  • Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.   
  • Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.

Вторая ситуация: не хочет заряжаться

Теперь рассмотрим второй случай — аккумулятор не заряжается.

Обычно эта ситуация возникает, когда какое-либо устройство (телефон, планшет, мп3-плейер) долго лежали без дела с разряженным аккумулятором. Или если литиевые аккумулятор подвергся глубокому охлаждению.

В принципе проблем с зарядкой таких аккумуляторов быть не должно. Внутри каждого аккумулятора — между самой банкой аккумулятора и теми клеммами, которые мы видим — находится модуль защиты, который отключает банку от клемм при снижении напряжения ниже определенного порога. Внешне это проявляется как полное отсутствие напряжение на выходе аккумулятора (ноль вольт).

На самом деле, как правило, на самой банке в этот момент напряжение составляет около 2.4-2.8 Вольта.

Все современные модули защиты устроены таким образом, что даже в случае блокировки аккумулятора от дальнейшего разряда, его все-таки можно зарядить. Это происходит благодаря паразитному диоду, встроенному в ключ на полевом транзисторе. Вот типовая схема модуля защиты аккумулятора 18650:Паразитный диод в модуле защиты литий-ионного аккумулятора

Так как при глубоком разряде закрывается только транзистор FET1, а второй MOSFET при этом остается открытым (пропускает ток в обоих направлениях), то зарядный ток спокойно протекает от плюсовой клеммы батареи через FET2, паразитный диод внутри FET1 к минусовой клемме.

В случае блокировки аккумулятора по перегрузке (КЗ в нагрузке), модуль защиты также запирает транзистор FET1. Нет никакой разницы от чего сработала защита — от переразряда или от короткого замыкания. Результат один — открытый транзистор FET2 и закрытый полевик FET1.

Таким образом, при глубоком разряде плата защиты литий-ионного аккумулятора ни в коей мере не препятствует заряду аккумулятора.

Проблема лишь в том, что некоторые зарядные устройства считают себя слишком умными и когда видят, что на аккумуляторе слишком низкое напряжение (а в нашем случае оно вообще будет равно нулю), они считают, что произошла какая-то недопустимая ситуация и напрочь отказываются выдавать зарядный ток.

Это сделано исключительно в целях безопасности. Дело в том, что при внутреннем коротком замыкании аккумулятора, заряжать его становится опасно — он может сильно перегреться и вспучиться (со всякими спецэффектами вроде вытекания электролита, выдавливания крышки планшета и т.п.). В случае же обрыва внутри аккумулятора, заряжать его становится совершенно бессмысленно. Так что логика работы таких умных зарядников вполне понятна и оправдана.

О том, как обхитрить зарядку и восстановить работоспособность литиевого аккумулятора после глубокого разряда читайте далее.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

По данным Fastmarkets, цены на самый дорогой в мире металл для производства аккумуляторов в марте 2021 года выросли до $42 за 1 кг. Аналитики предрекают, что к концу 2021 года они достигнут $57, а в 2024 году составят уже $80.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Фото:Volkswagen Group

Как крупнейшие автоконцерны переходят на выпуск электромобилей

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Как проверить аккумулятор при покупке

Для любого автомобиля одним из главных элементов механизма является аккумуляторная батарея. В настоящее времяЭлектростанция в кармане
Электростанция в кармане
Аккумуляторы 0Гибридный аккумулятор для автомобиля
<хедер class="entry-хедер">

Маркировка

Все параметры литий ионной батареи можно узнать из маркировки, нанесенной на корпус. Вариант маркировки может отличаться у каждого вида АКБ. Пока не существует единого стандарта маркирования. Но достаточно просто разобраться в ней, зная типовые параметры и обозначения:

  1. Буквы. Первой буквой всегда стоит I, так как обозначает тип технологии, т.е. литий ионную. Вторая буква дает уточнение по составу, встречаются маркировки такие как M, F, C, N. Третья буква дает обозначение того, что батарея является перезаряжаемой, маркировка R.Маркировка батареек
  1. Цифры. Цифровая маркировка означает размеры в миллиметрах. Таким образом первые 2 цифры — это диаметр, две последующие длина. Ноль на конце маркировки может означать цилиндрическую форму.

Для уточнения значений необходимо обратиться к документам батареи или производителю. У каждого из них может быть разные маркировки. Также отсутствует стандарт нанесения маркера даты производства.

Особенности зарядки

От правильного заряда зависит продолжительность работы литий-ионного аккумулятора и величина  емкости, в сравнении с заводскими характеристиками. Так, следует отметить следующие особенности:

  • Не стоит допускать полного разряда – хоть это и не однозначное утверждение, но постоянное использование накопленной в аккумуляторе электроэнергии на 100% очень быстро приведет к изнашиванию элементов. Но, здесь существует небольшая оговорка, один раз в три месяца, такую процедуру необходимо выполнять для сохранения верхнего и нижнего предела.
  • Литий-ионные аккумуляторы обладают пусть и незначительным, но эффектом памяти. Поэтому заряжать их лучше полностью, так как постоянный недостаток заряда будет снижать емкость.
  • Несмотря на наличие защиты от перезаряда практически во всех литий-ионных батареях, не стоит заряжать их более, чем предусмотрено заводом изготовителем.
  • Для заряда обязательно используйте оригинальные блоки питания, так как применение нетиповых устройств может отрицательно сказаться на сроке службы литий-ионных аккумуляторов.

Пути решения

Автоконцерн General Motors в сотрудничестве с SolidEnergy Systems организовал прроизводство аккумуляторов Ultium для своих электромобилей. Они будут включать жидкий электролит, аноды на базе графита и катоды с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50‒60%, их масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой он заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, а обойдутся вдвое дешевле (примерно в $25 000).

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Новая батарея Tesla
Новая батарея Tesla

(Фото: Tesla)

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

  • на положительном электроде;

  • на отрицательном электроде.

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Станция Tesla в Южной Австралии
Станция Tesla в Южной Австралии

(Фото: electrek.co)

Hornsdale Power Reserve построена на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных на Gigafactory. Она имеет мощность 100 МВт и может обеспечивать электричеством более 30 тыс. домохозяйств. Станция обеспечила снижение расходов на эксплуатацию сети региона примерно на 90%. За первые дни ее работы расходы на обслуживание сети снизились на $1 млн.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батареи Tesla в Техасе
Батареи Tesla в Техасе

(Фото: Tesla)

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Плюсы и минусы

У литий ионных аккумулятор есть свои преимущества и недостатки перед другими батареями. К плюсам относят такие моменты, как:

  • высокий уровень энергоемкости;
  • эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
  • срок эксплуатации очень большой;
  • нет нужды дополнительно обсуживать АКБ;
  • корректно выполняет свои функции в большом диапазоне температур;
  • уровень саморазряда очень низок.

Несмотря на все преимущества у литий ионных батарей есть и свои минусы, например, как:

  • возможность самовозгорания и взрыва, вздутие и выход из строя;
  • емкость понижается при температуре эксплуатации ниже нуля;
  • стоимость продукта значительно выше чем у предшествующих АКБ;
  • для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
  • плохо переносит глубокий разряд.

Кстати, большинство минусов купируются. Например, при желании можно найти батарейку с контроллером, что уже устраняет возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной подзарядке, глубокий разряд также исключается. Также производители с каждым годом выпускают более совершенные варианты литий ионных аккумуляторов. Недостатки постепенно купируются и в скором времени возможно совсем исчезнут, что сделает этот тип совершенным.

Источники

  • https://trends.rbc.ru/trends/industry/60bde5849a7947f7d5c34333
  • https://tze1.ru/articles/detail/vse-o-litiy-ionnykh-akkumulyatorakh/
  • https://BatteryZone.ru/accumulator/ustrojstvo-i-princip-raboty-litij-ionnogo-akkumuljatora
  • https://www.RusElectronic.com/li-ion-battery/
  • https://www.asutpp.ru/litiy-ionnyy-akkumulyator-ustroystvo-printsip-raboty.html
  • http://electro-shema.ru/chertezhi/vosstanovlenie-li-ion.html

[свернуть]

Related Posts