Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

Li-ion ИБП и АКБ | Каталог продукции компании БАСТИОН

Филиал №11 ДЕАН
(861) 372-88-46
www.dean.ru

Филиал ЭТМ
(86137) 6-36-20, 6-36-21
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(8512) 48-14-00 (многоканальный)
www.etm.ru

Системы видеонаблюдения, филиал
(3854) 25-59-30
www.sv22.ru

Филиал ЭТМ
(8162) 67-35-10, 67-35-15
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4922) 54-04-99, 54-04-98
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(8172) 28-51-08,
28-51-06, 27-09-39
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(3412) 90-88-93,
90-88-94,
90-88-95
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4842) 51-79-78,
51-79-72,
51-79-37,
52-81-39
www.etm.ru

Протэк
(996) 334-59-64
www.pro-tek.pro

Системы видеонаблюдения, филиал
(3842) 780-755
www.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) sv22.ru

Филиал ЭТМ
(3842) 31-58-78, 31-60-18, 31-66-06
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4942) 49-40-92, 49-40-93
www.etm.ru

Техника безопасности ОП на Стасова
(861) 235-45-30, 233-98-66, 8-918-322-17-14
www.t-save.ru

Техника безопасности ОП на Промышленной
(861) 254-72-00, 8-918-016-72-31,
8-989-270-02-12
www.t-save.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Достоевского
(861) 200-15-44, 200-15-48, 200-15-49
www.dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Рашпилевской
(861) 201-52-52
www.dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Леваневского
(861) 262-33-66, 262-28-00
www.dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Мандариновой
(861) 201-52-53
www.dean.ru

Филиал ЛУИС+
(861) 273-99-03
www.luis-don.ru

Филиал ЭТМ
(861) 274-28-88 (многоканальный),
200-11-55
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(3843) 993-600, 993-041, 993-042
www.etm.ru

Арсенал Безопасности ГК
(3812) 466-901 , 466-902, 466-903, 466-904, 466-905
www.arsec.ru

ДЕАН СИБИРЬ
(3812) 91-37-96, 91-37-97
www.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) dean.ru

СТБ
(3812) 51-40-04, 53-40-40
www.stb-omsk.ru

Филиал Ганимед СБ
(3812) 79-01-77
+7-913-673-99-01

www.ganimedsb.ru

Филиал ЭТМ
(3812) 60-30-81
www.etm.ru

КомплектСтройСервис
(4912) 24-92-14
(4912) 24-92-15
www.kssr.ru

Филиал ЭТМ
(4912) 30-78-53,
30-78-54,
30-78-55,
29-31-70
www.etm.ru

Филиал Бастион
(8692) 54-07-74
+7-978-749-02-41
www.bastion24.com

Филиал Грумант Корпорация
(8692) 540-060, МТС Россия: +7 978 744 3859
www.grumant.ru

Бастион
(365) 512-514
+7-978-755-44-25

www.bastion24.com

Охранные системы
(365) 251-04-78
(365) 251-14-78
+7 (978) 824-22-38

Филиал Защита СБ
(4725) 42-02-31
www.zassb.ru

Филиал ЭТМ
(4725) 42-25-13, 42-62-51
www.etm.ru

Филиал ЦСБ
(8452) 65-03-50, 8-800-100-81-98
www.centrsb.ru

Филиал ЭТМ
(4752) 53-70-07,
53-70-00
www.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) etm.ru

Филиал ЭТМ
(4872) 22-24-25,
22-24-26,
22-26-71
www.etm.ru

Центр Систем Безопасности
(3452) 500-067, 48-46-46, 41-52-55
www.csb72.ru

Филиал ДЕАН
(3452) 63-83-98, 63-83-99
www.dean.ru

Филиал ЛУИС+
(3452) 63-81-83
(3452) 48-95-35
www.luis.ru

Филиал РАДИАН
(3452) 63-31-85, 63-31-86
www.radiantd.ru

Филиал ЭТМ
(3452) 65-02-02
(3452) 79-66-60 (61/63)
(3452) 65-01-01

www.etm.ru

Востокспецсистема
(4212) 67-42-42
www.vssdv.ru

КОМЭН
(4212) 75-52-53, 75-52-54, 60-32-35
www.koman.ru

ТД «Планета Безопасности»
(4212) 74-62-12, 20-40-06, 74-85-11
www.planeta-b.ru

Филиал Хранитель
(4212) 21-70-82, 21-30-50, 24-96-56
www.hranitel-dv.ru

Филиал ЭТМ
(8202) 49-00-33, 49-00-39
www.etm.ru

АИСТ
+7 (4852) 45-10-78
+7 (4852) 45-10-73
www.aist76.ru

Филиал ЭТМ
(4852) 55-15-15,
55-57-94,
55-31-84,
55-33-84
www.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) etm.ru

Литий-ионные технологии продления срока службы

Литий-ионные аккумуляторные батареи радикально меняют рынок промышленных электрических погрузчиков. И неудивительно: по своим выдающимся характеристикам и потрясающей добавленной ценности мощные энергоносители существенно превосходят обычные свинцово-кислотные АКБ. Благодаря продолжительной работе литий-ионные аккумуляторные батареи помогут вам опередить конкурентов, повышая эффективность складских операций и обработки товаров. Боле того, небольшое время зарядки и отсутствие необходимости в обслуживании гарантируют непрерывность работы. Обладая длительным сроком службы, литий-ионные батареи обеспечат вам максимум преимуществ. На литий-ионные батареи собственного производства компания Jungheinrich дает 5 лет гарантии при 10000 часов эксплуатации. Это лучшее предложение на рынке. Литий-ионные аккумуляторы Jungheinrich — залог успеха в Вашей конкурентной борьбе.

5 лет без забот. Гарантировано.

Давая 5 лет гарантии на литий-ионные аккумуляторы, мы подтверждаем их долгую безукоризненную работу независимо от часов эксплуатации.

Встроенный контент требует вашего подтверждения

К сожалению, содержимое этой страницы недоступно из-за ваших текущих настроек cookie.

Пожалуйста, разрешите «маркетинговые» cookie для отображения контента.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Высокая мощность, быстрая зарядка, отсутствие потребности в обслуживании и долговечность — узнайте, как литий-ионные АКБ помогут Вам быть впереди конкурентов.

Подробно

Быстрый возврат к работе.

Невероятно быстрая зарядка.

Литий-ионные аккумуляторы всегда заряжены и готовы к работе даже в несколько смен. Промежуточный заряд длительностью всего 30 минут обеспечит батарее на 24 В заряд до 50 % емкости. Чтобы зарядить наполовину аккумулятор на 80 В, достаточно всего 53 минут.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Полная зарядка батареи на 24 В занимает 80 минут, а на 80 В — 105 минут. Технологии ускоренного и промежуточного заряда, например, в перерывах и во время спонтанных пауз, гарантируют непрерывную готовность техники, что повышает гибкость ежедневных складских операций.

Максимальная мощность в любое время.

Неизменно высокие рабочие характеристики.

Литий-ионные АКБ обладают более высокой производительностью по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Более глубокий разряд и постоянные характеристики напряжения гарантируют, что даже при низком заряде литий-ионная АКБ может выдать больше мощности, чем свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. При каждом торможении батарея набирает заряд, а высокая общая эффективность позволяет аккумулировать до 20 % больше энергии. Кроме того, обмен данными между батареей и зарядным устройством гарантирует эффективную и быструю зарядку.

Всегда готовы к работе.

Без вынужденных простоев.

Литий-ионные аккумуляторы всегда готовы к работе. Им не нужен отдых. Они не требуют обслуживания и не выделяют вредных газов. Это значит, что Вам не придется тратить время и деньги на обслуживание аккумуляторных батарей или дополнительную инфраструктуру. С литий-ионными аккумуляторными батареями вынужденные простои останутся в прошлом.

Работают в три раза дольше.

Благодаря продолжительному сроку службы.

Подобно хорошему спринтеру, литий-ионные АКБ эффективны на любом этапе соревнований. Потому что они работают в три раза дольше, чем традиционные аккумуляторы. Выдающаяся выносливость и более высокая общая эффективность защитят Ваши инвестиции за счет сокращения расходов на электроэнергию.

Д-р Ларс Бржоска (Lars Brzoska)

Председатель Совета директоров

«На сегодняшний день большинство используемой в мире подъемно-погрузочной техники с литий-ионными аккумуляторами выпущены под маркой Jungheinrich».

Максимальный результат с лучшей командой.

Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

Идеально синхронизированная система.

Чтобы спортсмен мирового класса выложился на полную, ему нужна надежная команда. То же самое относится и к литий-ионным АКБ. Полного раскрытия потенциала можно добиться лишь в том случае, если все элементы системы работают согласованно. Компания Jungheinrich — единственный производитель складской техники, который предлагает Вам комплексную взаимосвязанную систему, в которой АКБ, зарядное устройство и погрузчик эффективно взаимодействуют друг с другом, значительно снижая потребности в электроэнергии. Подобный уровень эффективности стал закономерным следствием того, что на сегодняшний день Jungheinrich — единственная в мире компания, занимающаяся разработкой и вводом в эксплуатацию электрических погрузчиков с литий-ионными аккумуляторами собственного производства. Суть нашей командной работы заключается в том, что мы всегда готовы оказать поддержку на каждом этапе Вашего проекта, в котором используются литий-ионные АКБ. Вне зависимости от того, что требуется в данный момент: заменить АКБ на одной машине или перевести на литий-ионные АКБ целый парк техники. Наши консультанты будут рады помочь Вам на любом этапе процесса: от планирования до введения в эксплуатацию.

Обратитесь к нам уже сегодня!

Идеальная согласованность на пути к успеху.

Комплексная система Jungheinrich.
У Jungheinrich есть все, что связано с литий-ионными АКБ:
аккумуляторы (1), зарядные устройства (2), техника (3) и поддержка (4).

Аренда вместо покупки.

Переоснастите Ваш парк погрузочной техники и воспользуйтесь преимуществами литий-ионных АКБ и зарядных устройств в рамках комплексной программы аренды Li-Ion Performance Rental. Это позволит снизить затраты и одновременно быстро и легко повысить производительность Ваших электроштабелеров.

Подробнее о программе аренды литий-ионных аккумуляторов

Универсальное зарядное устройство SLH 300 позволяет легко заряжать литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

Новатор в сфере технологий литий-ионных АКБ.

Серийное производство готовой к эксплуатации подъемно-погрузочной техники с 2011 года.

В сфере электрической мобильности для складской логистики компания Jungheinrich уверенно завоевала лидерство и добилась непревзойденных успехов в разработке технологий для литий-ионных АКБ. Уже в 2011 году электротележка EJE 112i стала первой в своем роде моделью на литий-ионных батареях, готовой к серийному производству. С тех пор подразделение Jungheinrich Energy and Drive Systems (EDS) последовательно совершенствует эту технологию, непрерывно пополняя линейку складской техники с литий-ионными АКБ. Сегодня практически все модели техники Jungheinrich могут оснащаться литий-ионными АКБ.

Встроенный контент требует вашего подтверждения

К сожалению, содержимое этой страницы недоступно из-за ваших текущих настроек cookie.

Пожалуйста, разрешите «маркетинговые» cookie для отображения контента.

Безопасность при достижении целей — в любое время.

Литий-ионные АКБ Jungheinrich отличаются высоким уровнем безопасности.

Литий-ионные аккумуляторы Jungheinrich гарантируют безопасность работ в любых условиях. Наши АКБ изготовлены с использованием самых надежных компонентов для аккумуляторов (литий-железо-фосфат). Они нетоксичны и не выделяют вредных газов. Благодаря развитому набору функций разработанная нами система управления АКБ контролирует каждый элемент, плавно выключая АКБ при отклонениях в работе. Транспортировку и утилизацию осуществляет наша собственная сервисная служба. Это означает максимальную безопасность людей и техники.

Новый выносливый профессионал для повышения скорости обработки грузов.

ETV 216i — первый в мире штабелер с выдвижной мачтой, оборудованный литий-ионным аккумулятором.
ETV 216i — наша последняя новинка в линейке техники, оснащенной литий-ионной АКБ. Это первый в мире штабелер с выдвижной мачтой и встроенным литий-ионным аккумулятором.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Благодаря высокой мощности и неизменной производительности этот выносливый профессионал заметно повысит эффективность и грузооборот Вашего склада. Революционное обновление дизайна также способствует улучшению эргономики и повышению безопасности при одновременном повышении производительности Вашего склада.

Подробнее о ETV216i

Молодой спортсмен в слаженной команде.

EFG с литий-ионным аккумулятором.
Теперь почти весь парк техники Jungheinrich готов к установке литий-ионных АКБ. В том числе наши штабелеры с противовесом EFG. Теперь они выходят на старт не только с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, но и с мощными литий-ионными АКБ 80 В (500 Ач). Они долговечны, быстро заряжаются и не требуют технического обслуживания. С литий-ионным аккумулятором EFG легко справится с увеличением грузооборота и повышением энергоэффективности.

Подробнее о EFG

Максимальная производительность комплектования.

EKS с литий-ионным аккумулятором (48 В).

Все больше единиц серийной напольной подъемно-погрузочной техники оборудуется литий-ионными АКБ. Теперь вертикальные комплектовщики заказов EKS серии 3 могут оборудоваться инновационными литий-ионными АКБ 48 В, позволяющими повысить производительность, безопасность и энергоэффективность техники. Это стало возможным благодаря быстрой зарядке, отсутствию необходимости в обслуживании и очень длительному сроку службы.

Подробнее о EKS

Как увеличить пропускную способность склада?

На старт с литий-ионными аккумуляторами.

Чем Li-ion аккумуляторы отличаются от гелевых?

Аккумулятор (химический источник тока) является настоящим прорывом не только для всех видов промышленности, но и для повседневной жизни. Поэтому с каждым годом выпускаются все новые и новые виды аккумуляторов из разных веществ.

Особенно вопрос выбора актуален, когда речь идет о тяговых аккумуляторах для погрузочной (электроштабелеры, электропогрузчики, ричтраки) и поломоечной техники.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Так как в этом случае речь идет не только о непрекращающемся процессе работы, но и о безопасности сотрудников.

Какой же аккумулятор лучше – гелевый или литий-ионный? Давайте разбираться.

1. Срок службы

Некоторые литий-ионные аккумуляторы имеют срок службы до 10 лет, в то время как гелевые работают в среднем около 3 лет.

2. Стоимость

Литий-ионные аккумуляторы значительно дороже гелевых и любых других батарей, имеющихся на рынке. Однако, можно сказать, что это практически единственный существенный его недостаток.

3. Максимальное количество зарядов

В этом аспекте литий-ионные батареи заметно выигрывают, так как количество циклов заряда-разряда ровно 3000, к сожалению, гелевые аккумуляторы сработают всего на 800 циклов при глубине заряда равной 80%.

При этом у li-on аккумуляторов отсутствует «эффект памяти», то есть нет необходимости полностью разряжать, а потом заряжать аккумулятор перед работой.

После разряда гелевые аккумуляторы необходимо полностью зарядить, чтобы они прослужили весь заявленный срок гарантии.

4. Безопасность и экологичность

Литиевые аккумуляторы абсолютно безопасны, так как не выделяют никаких вредных веществ в окружающую среду. Более того, их легко утилизировать, благодаря встроенной электронной защите, которая блокируется в экстренных ситуациях.

Гелевые аккумуляторы, в свою очередь, содержат вещество «силикагель». Оно представляет собой твердое вещество с множеством микропор, где и находится электролит.. Он является неопасным, но токсичным веществом.

5. Температура

Li-on аккумуляторы способны работать при температуре от 0 до +40 градусов, при этом гелевые батареи могут выполнять свои функции даже при отрицательных значениях.

6. Вес и размер

Еще одно преимущество литий-ионных аккумуляторов в том, что их вес практически в 3 раза меньше, чем у гелевых батарей.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

7. Стоимость обслуживания

Стоимость обслуживания гелевого аккумулятора достаточно высока, тогда как литий-ионного практически равна нулю.

По многим показателям литий-ионные аккумуляторы выглядят лучше: их срок службы больше, чем у гелевых батарей, а количество циклов заряда-разряда намного превышает всех конкурентов-аналогов. Единственный аспект, который может заставить обратить внимание на гелевые аккумуляторы – это их стоимость. Они намного дешевле, чем литий-ионные представители.

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. — установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно — повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

5. Иметь резервный аккумулятор.

Ранее ЭлектроВести писали, что ученые представили новый катодный материал для металл-ионных батарей. Об этом говорится в работе исследователей из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.

По материалам: electrik.info.

Нобелевку по химии дали за литий-ионные батареи. Почему эта технология достигла предела?

В 2016 году журналисты Washington Post сделали серию материалов про добычу самых дорогостоящих элементов внутри Li-ion аккумулятора: графита, кобальта и лития.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) В одном из них — короткий видеоролик. Африка, узкая мутная река — почти ручей, а по берегам — женщины в разноцветных одеждах, дети и суета. Мы в самой гуще рабочего дня: все промывают в ручье куски то ли земли, то ли камней. Быть может, именно отсюда родом кобальт, без которого не может работать аккумулятор вашего смартфона: большая часть его добычи приходится на небольшой регион африканской страны Конго, где есть официальные шахты с касками и минимальными зарплатами, а есть дикая добыча.

В этом видео, кроме гуманитарной проблемы, можно рассмотреть еще и, наверное, главную техническую проблему в производстве Li-ion аккумуляторов. По оценкам аналитического агентства Bloomberg New Energy Finance, уже в 2016 году общая емкость всех проданных Li-ion составила около 120 ГВт⋅ч. В пересчете на что-то более привычное это 7,5 миллиарда стандартных телефонных аккумуляторов, то есть почти по штуке на каждого жителя Земли. Ноутбуки, смартфоны — инопланетянину люди могут показаться лишь странными животными, обслуживающими плоские коробочки с энергией: каждый вечер они приходят домой, чтобы зарядить их, а с утра отправляются тратить восполненные запасы электричества.

И, если мы еще и захотим использовать Li-ion в электромобилях, даже жестокий рынок кобальта может уже этого не выдержать: либо люди станут работать уже в совсем рабских условиях, либо — что более вероятно — они не смогут добывать кобальт в нужных для индустрии объемах.

Впрочем, это не единственная проблема Li-ion.

Запасливая коробочка

Если кто-то (например, Нобелевский комитет) захочет разобраться, кто первый придумал литий-ионный аккумулятор, то столкнется с серьезной проблемой. В одной работе впервые предложили сам принцип, в другой показали какой-нибудь компонент, а в третьей наконец собрали сам аккумулятор. В общем, истоков у технологии очень много — десятки лет исследований и сотни коллективов, перебиравших материалы и условия.

Основной принцип работы Li-ion аккумулятора достаточно прост.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Внутри этой коробочки — разделенные полупроницаемой мембраной два электрода (то есть электропроводящих материала, исполненных в определенном форм-факторе — пластина, проволока, цилиндр и т.д.), погруженных в электролит (очень упрощенно — электропроводящий раствор), богатый ионами лития. В самой популярной на сегодня версии аккумулятора один его электрод сделан из графита, а другой — из оксида кобальта СoO2.

Главные действующие лица в Li-ion аккумуляторах, как видно из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому отлично справляются с ролью хранителей энергии. Li-ion аккумуляторы, с одной стороны, получают почти максимальную удельную емкость в расчете на массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. А с другой стороны, мобильность атомов лития позволяет аккумуляторам быстро разряжаться, выдавая неплохой ток, поскольку эти процессы напрямую связаны с перемещением лития внутри аккумулятора. В свою очередь, графит и оксид кобальта подобраны уже под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют атомам лития легко проходить сквозь них.

Когда аккумулятор заряжен полностью, в графитовом электроде сидит очень много ионов лития. После того как аккумулятор подключают к внешней нагрузке, графит становится положительным электродом, а оксид кобальта — отрицательным. Положительные ионы лития под действием электрического поля начинают течь по электролиту к отрицательному электроду, а графит для соблюдения электронейтральности отдает во внешнюю цепь электроны. Дальше эти электроны совершают какую-то работу и по цепи приходят уже к CoO2, где в конце концов «помогают» приплывшим ионам лития образовать оксид кобальта LiCoO2.

При зарядке аккумулятора все повторяется с точностью до наоборот. Ионы лития и электроны выходят из оксида кобальта, дальше первые бегут по электролиту, а вторые — через внешнюю цепь (то есть электроны бегут в обратную сторону — отрицательный ток), чтобы снова встретиться в графите.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Конец первого цикла работы.

Все вместе звучит несложно: просто ионы лития под действием внешнего поля перетекают от одного электрода к другому, попутно проталкивая через внешнюю цепь электроны. Но первое впечатление обманчиво.

Внутреннее напряжение

Мы привыкли воспринимать технологические инструменты как черные ящики. Нажимаешь на кнопку — получаешь результат, и незачем думать о том, что произошло внутри. С аккумуляторами это еще заметнее — то ли из-за из формы, то ли из-за обманчивой простоты конструкции. Но иногда «черные ящики» начинают вести себя странно, обнажая свою начинку.

Самый простой пример — это взрывы и самовозгорания прошлого поколения Li-ion аккумуляторов. Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многочисленных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO2 вырастали ветвистые дендриты. Они в конце концов «коротили» положительный и отрицательные электроды друг на друга, и через аккумулятор начинали проходить слишком большие электрические токи. Это запускало каскад неуправляемых химических реакций с выделением тепла, и аккумулятор плавился или взрывался. Похожая история недавно была с аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7, только они взрывались даже не из-за износа, а из-за просчетов при сборке аккумуляторов.

Другой пример менее опасный, но зато более знакомый: если разрядить Li-ion аккумулятор несколько раз до нуля, то после он уже гораздо хуже держит электричество, потому что кристаллическая структура электрода из оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.

Еще больше была проблема с зарядкой. Несколько лишних процентов к величине тока или напряжения — и аккумуляторы сразу начинали деградировать. Теперь обычные пользователи защищены от этих фокусов своими зарядными устройствами и встроенными в аккумуляторы электронными схемами, контролирующими ход зарядки, но раньше такого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов разряда и заряда.Литий ион: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) Вся начинка наших «черных ящиков» тщательно подогнана и смазана годами исследований, чтобы мы могли наслаждаться видимой простотой.

iPhone 3GS, литий-ионный аккумулятор которого вздулся из-за короткого замыкания

© Mpt-matthew/CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

Теперь перед инженерами и учеными стоят новые задачи — Li-ion аккумуляторы сейчас начинают активно использовать в электротранспорте. Уже упомянутый нами отчет Bloomberg New Energy Finance предсказывает, что к 2022 году объем этого рынка обгонит рынок батареек для потребительской электроники.

Но сделать большой Li-ion аккумулятор непросто. По сути, это огромный ансамбль аккумуляторов, синхронизированных между собой. Например, аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый, то есть всего из 1184 элементов. Эта сложная конструкция, по некоторым оценкам, стоит почти половину всей машины.

Чтобы минимизировать издержки, Илон Маск открыл в пустыне Невада огромную фабрику по изготовлению Li-ion аккумуляторов — в проекте суммарная емкость произведенных за год батареек должна достигать 35 ГВт⋅ч. Экскурсии на эту фабрику, как рассказывают посетители, проходят в режиме повышенной секретности: закрытые комнаты, запретные зоны, коммерческие тайны. Соединить почти 1200 аккумуляторов так, чтобы все они одновременно заряжались и разряжались, — это громадная, сложная задача. Цена ошибки — пожары, взрывы, потеря эффективности.

Гигафабрика

© AP Photo/Rich Pedroncelli

Кроме сложности масштабирования у современных Li-ion есть и другие слабости. Первая из них — это конструкционная сцепка между мощностью аккумулятора и его емкостью: если вы хотите сделать отдельный Li-ion элемент большой мощности, то он обязательно будет и большой емкости (то есть больших размеров). А если хотите маленький аккумулятор, то он автоматически будет показывать скромную мощность. Это не всегда удобно.

Вторая серьезная слабость Li-ion аккумуляторов — это их удельная емкость. Она лучшая среди всех других аккумуляторов, но все-таки достаточно скромная: тот же аккумулятор для Tesla Model S весит около 540 кг и это больше четверти от всей машины. Так что, скажем, подводные лодки на электродвигателях вряд ли появятся.

Нехорошая энергетика

Минусы Li-ion аккумуляторов вряд ли перевесили их проверенные и стабильные плюсы. Но в реальности все еще сложней, чем с деградацией электродов и лишними вольтами. Аккумулятор даже не то что непрозрачный черный ящик — он, будто атом из другой вселенной, неделим и неразложим на составляющие: в 100 граммах докторской колбасы 60 граммов воды, 20 граммов углеводов и 12 граммов белков, в футболке 60% хлопка и 40% полиэстера, а внутри Li-ion аккумулятора от 0% до 100% энергии, а остальное — пустота.

Конечно, в теории мы знаем, что это не так, но в бытовой повседневности все аккумуляторы, компьютеры и телефоны — просто обезличенный продукт без истории и состава. Они оживают, только когда ломаются, начинают «глючить», или когда чье-то любопытство (ребенка? безумца?) вскрывает начинку подручной вещи.

Журналисты Motherboard однажды измельчили айфон в промышленном блендере и выяснили, что внутри него содержится как минимум 31 различный химический элемент. Золото, галлий, ванадий — откуда они там? Зачем?

Внутри Li-ion аккумуляторов тоже много неожиданного.

Дикая добыча кобальта — это самая популярная работа в окрестностях африканского города Колвези. Мужчины небольшими группами спускаются в подземные лазы, где почти без всяких инструментов отбивают горную породу, а потом отдают ее на промывку женам и детям и в конце концов продают находки перекупщикам. Средняя выручка на мужчину получается $2−$3 в день. Добыча — за гранью выживания. Местные даже верят, что подземные залежи кобальта можно опознать по особым цветам, растущим над ними на земле.

После публикаций Washington Post о добыче кобальта почти каждый крупный производитель электроники чувствовал себя обязанным высказаться. Одни заявили, что тщательно проверяют свои цепи поставок и покупают только кобальт с легальных шахт, другие отговорились, что будут разбираться, а третьи и вовсе в стиле предвыборных обещаний заверили, что откажутся от кобальта. Поверить кому-либо сложно: электроды на кобальте пока превосходят все аналоги, а цепи поставок этого металла слишком запутаны, чтобы их отследить раз и навсегда.

Причины этому две. О первой уже сказано выше: почти 60% мировой добычи кобальта сконцентрировано в Конго — так уж вышло при создании этого мира. И поэтому, хотя в США на законодательном уровне даже есть список металлов, легальное происхождение которых необходимо доказывать продавцам, кобальт в него не входит — по-видимому, не так просто перекрыть денежный кран, питающий больше половины аккумуляторов на планете.

Вторая причина в чем-то симметрична первой: так получилось, что основной потребитель кобальта — это именно индустрия Li-ion аккумуляторов. Поэтому цены на этот металл за последнее десятилетие выросли почти в семь раз, и на быструю прибыль слетелись самые предприимчивые дельцы. Почти все скупщики, действующие на территории Конго, — китайцы, а вся добыча отправляется к ним на родину, где идет либо сразу на производство, либо на склады дальновидных предпринимателей. Резко выросший рынок кобальта, полный трудностей перевода между языками и культурных коллизий, пока живет по своим правилам, где детский труд и рабские зарплаты — вполне нормальные условия.

С литием гуманитарных проблем не меньше. Почти половина этого металла добывается в трех странах — Чили, Аргентине и Боливии. Для рабочих там созданы хорошие условия, но сама разработка может очень сильно угрожать экологии региона. Из-под земли выкачивают огромное количество соленой воды, которую потом отфильтровывают, чтобы получить ценный металл. При этом на одну тонну лития нужно прокачать почти 2 миллиона литров рассола, а прииски расположены в засушливом регионе. Одни специалисты говорят, что такой подход никак не может повредить запасам питьевой воды, другие — что все может закончиться очень быстро и печально.

Добыча лития в Чили

© Cristobal Olivares/Bloomberg via Getty Images

Наконец, если рассуждать о ресурсах для Li-ion аккумуляторов, то есть еще категория самых прагматичных опасений, лишенных всяких этических переживаний или ссылок на экологию: по некоторым оценкам, разведанных ресурсов может просто не хватить. Например, по оценкам, приведенным в недавней статье журнала Nature, уже в ближайшее десятилетие спрос на кобальт превысит объемы производства, и даже китайские склады сырья нам не помогут.

Правда, расчеты других экспертов дают противоположные результаты: кобальта хватит как минимум на 40 лет, а других металлов и того больше.

Кто прав, понять сложно. Но очевидно: если мы хотим заменить все двигатели внутреннего сгорания на электродвигатели (а такова легенда), кто-то может очень сильно пострадать от этого желания. В цепях поставок сырья для современных Li-ion аккумуляторов очень много узких мест, которые не смогут расшириться, когда рынок электротранспорта рванет вверх.

Слезть с лития

И вот что в итоге: Li-ion аккумуляторы в их современной версии хороши, но уже по своей природе плохо подходят, например, для питания электрокаров (большая масса и сложности с масштабированием) да еще требуют дорогостоящих и редких ресурсов. Выход очевиден: надо искать другие технологии.

Мягким ходом будет модификация самих Li-ion аккумуляторов — например, замена электродов. Типичный пример — это еще одна недавняя работа в Nature, авторы которой вместо электродов на основе оксида кобальта предлагают работать с оксидом марганца и проводят первые испытания технологии: хорошая емкость, хорошая стабильность, в перспективе — более дешевая конструкция, но очень высокое напряжение зарядки, которое может сделать аккумулятор слишком неудобным или опасным для использования.

Примерно так дела обстоят с каждым аналогом, а их десятки: литий-железо-фосфатные батареи, литий-никелевые, литий-флуоридные — по совокупности основных технических характеристик они проигрывают обкатанной технологии и подходят только для применения в очень узких нишах. Учитывая, что себестоимость Li-ion аккумуляторов с 2010 года уменьшилась более чем в четыре раза, а спрос уже почти насыщен, близким аналогам Li-ion аккумуляторов без принципиальных преимуществ будет сложно получить своих покупателей.

Можно было бы радикальнее крутануть руль в погоне за Новым Аккумулятором и искать принципиально другие решения электрохимического хранения энергии. Здесь выбор очень разнообразный, и много исследований проводится в том числе и в России: натрий-ионные аккумуляторы, литий-воздушные аккумуляторы, водородные топливные элементы и микробные топливные элементы, проточные батареи. При этом у каждого решения есть преимущества перед Li-ion. Например, в проточных батареях объемы энергозапаса уже не зависят от мощности элемента, и поэтому они идеально подходят, например, для стационарного хранения излишков электроэнергии в распределенных энергосетях или в сетях, завязанных на возобновляемые источники энергии.

Современная qwerty-раскладка была придумана в конце XIX века. Она оптимизирована не под скорость или удобство набора текста, а под работу механических печатных машинок: она сделана так, что самые распространенные буквы максимально разнесены в пространстве, чтобы молоточки с литерами этих букв не задевали друг друга при печати. На машинках мы давно не печатаем, и есть другие, гораздо более удобные для работы раскладки, но так уж получилось, и по сей день большая часть человечества пользуется все тем же вариантом.

C Li-ion аккумуляторами получается похожая история. Они не очень подходят для новых технологий вроде электромобилей, но цепи поставок уже выстроены, сети сбыта сплетены, и порвать их непросто. Тем интересней следить, как будут меняться технологии хранения электрической энергии под давлением наших новых потребностей. Ведь обратная связь тоже обязательно верна: не только повседневность перестраивается под действием научных открытий, но и наука с технологией мутируют, подлаживаясь под нашу жизнь.

Михаил Петров

Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах

Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→


Миф первый

Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться

Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.

В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.

Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.

Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.

А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.


Миф второй

Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно

Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.

Перечислим пять самых критичных:

  • Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
  • Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
  • В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
  • В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
  • В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.

Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.

Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.


Миф третий

Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам

Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.

Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.

Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.


Миф четвёртый

Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает

На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.

Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.

Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.


Миф пятый

Литий-ионные батареи слишком дорогие. Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют

Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.

Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.

Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.

Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.


Подведем итог:

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.

При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→

китайские технологии и упущенное время / Offсянка

В минувшем году Россия и Китай подписали договор о создании в Новосибирской области первого в России производства литий-ионных батарей для электромобилей. Участниками проекта стали госкорпорация «Роснано» и китайская компания Thunder Sky Group Limited, считающаяся одним из лидеров в серийном производстве батарей для электротранспорта и накопителей энергии. В Новосибирске уже начали строить завод, который будет оснащен четырьмя автоматизированными производственными линиями с более чем пятью сотнями рабочих мест.

Предполагается, что в дальнейшем китайские компоненты для производства батарей будут заменены российскими, и для реализации этого предположения стартовал второй проект «Роснано» — совместно с Институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН и Новосибирским заводом химконцентратов. Нина Косова, научный руководитель этого проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии, рассказала нам о российских разработках и о том, почему пришлось приобретать китайские технологии.

Алла Аршинова: Нина Васильевна, давайте начнем с начала. Расскажите, пожалуйста, об эволюции литий-ионных аккумуляторов.

Нина Косова: Первые перезаряжаемые аккумуляторы с литием были просто «литиевые». В качестве катода в них использовался кобальтат лития, а в качестве анода — металлический литий. Между катодом и анодом находится сепаратор, он не дает контактировать двум электродам. Сепаратор смачивается литий-ионным электролитом, и, когда мы подключаем это устройство к электрической сети, ионы лития переносятся от катода к аноду через электролит, а электроны — через внешнюю цепь. Когда начинается заряд, литий выходит из структуры кобальтата лития и встраивается в литиевый анод. Когда же положительный ион лития уходит, ионы кобальта окисляются и становятся четырехвалентными. Этот процесс называется деинтеркаляцией (или, проще говоря, экстракцией) лития. Когда мы зарядили аккумулятор и начали им пользоваться, стартует процесс разряда, и в этом случае реакция идет в обратную сторону: происходит встраивание лития в катодный материал, и это называется интеркаляцией (внедрением).

Сначала в литиевых аккумуляторах использовался литиевый анод, и это было не очень хорошо. Ведь литий — очень активный металл, и, если нарушается целостность такого аккумулятора, может случиться возгорание. К тому жеутилизация таких аккумуляторов достаточно сложна.

Поэтому несколькими годами позже от литиевого анода перешли к углеродному, на основе графита. Выбор в его пользу был сделан потому, что структура графита способна к внедрению и извлечению ионов лития.

Когда стали использовать углеродный анод, поменялось и название — от «литиевого» перешли к «литий-ионному» аккумулятору. Современные же устройства — это «литий-ион-полимерные». Откуда взялись «полимерные»? Использовать жидкие электролиты, содержащие соли лития, не очень удобно — так же, как и металлический литий. Вы, наверное, сами видели, как аккумуляторы иногда «протекали» и из них просачивался жидкий электролит? Так вот, чтобы этого не было, последний стали делать гелеобразным, полимерным. Поэтому сегодня вы чаще всего имеете дело именно с «литий-ион-полимерными» аккумуляторами, если, конечно, речь не идет о чем-то совсем дешевом и безымянном.

Алла Аршинова: Литий и его соединения — это дорогие материалы?

Нина Косова: В природе литий находится в виде солей. Самый крупный поставщик карбоната лития — Чили, но встречается он и в других странах Южной Америки. Второй источник сырья — озера, где концентрация ионов лития очень высока. Например, наш институт недавно нашел такие в Монголии. Также мы разработали процесс переработки литийсодержащих вод. Тем не менее все исходное сырье для литий-ионных аккумуляторов находится в дефиците. Люди быстро поняли, что за этим будущее и деньги. И те, кто сейчас имеет доступ к сырью, диктуют на него мировые цены.

Литий

Алла Аршинова: Автолюбители со стажем помнят, что аккумулятор — штука довольно капризная, и даже за ним приходится следить в оба. А насколько просты в обслуживании современные Li-ion аккумуляторы для электромобилей?

Нина Косова: Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от остальных? Тем, что вы можете начать заряд и разряд в любой момент, тогда как другой тип батарей это вывело бы из строя. А еще литий-ионные аккумуляторы выдерживают большое количество циклов заряда-разряда и напряжение их гораздо выше.

Для электромобилей очень важно иметь высокомощные источники энергии, поэтому должны быть материалы, которые могли бы работать при больших напряжениях и при больших токах. Для того чтобы получить такие вещества, нужны материалы с высокой электронной и ионной проводимостью. И получать их нужно в наноразмерном состоянии.

Алла Аршинова: Если говорить об электромобилях, какая «химия» должна быть у таких аккумуляторов?

Нина Косова: Аккумулятор аккумулятору рознь. В батарее для телефонов и других небольших устройств можно использовать кобальтат лития. У него много плюсов, но он дороговат.

Электромобиль Dodge ZEO. От одной заряда батареи он сможет проехать чуть больше 400 километров

А есть аккумуляторы для более крупных беспроводных устройств. Здесь, конечно, выгодно использовать литий-железо-фосфат, ведь железо — самый распространенный в природе материал. Литий-железо-фосфат хорош всем, но его очень сложно синтезировать и сделать высокопроводящим. Если в случае с литий-кобальтовыми аккумуляторами от идеи до серийных образцов прошло пять лет, то в случае с литий-железо-фосфатом времени пришлось потратить почти в два раза больше.

Но во всем мире стоит вопрос перехода от транспорта на бензине к электротранспорту. Поскольку для электротранспорта нужны крупногабаритные аккумуляторы, то и материалы для него должны быть дешевле. Так что для транспорта батареи будут делать на основе литий-железо-фосфата.

Первый завод по выпуску таких аккумуляторов был построен в Монреале, в канадском Квебеке. Нас возили туда на экскурсию и показали цех, где как раз испытывают готовые продукты. Их бросают, прокалывают, разогревают и смотрят, как они себя ведут. Ведут хорошо, за безопасность можно не переживать.

Алла Аршинова: Но ведь даже телефоны иногда взрываются…

Нина Косова: Это связано со структурной неустойчивостью кобальтата лития к высоким напряжениям. За счет структурной неустойчивости происходит выделение кислорода, поэтому его нельзя заряжать выше 4,2 вольт. По этой причине в аккумулятор встраивают ограничители по напряжению. А литий-железо-фосфат более устойчив.

Алла Аршинова: Извините за несколько наивный вопрос, но технологии в области литий-железа-фосфата сложные? Нам по силам?

Нина Косова: Сложные, но многие компании их уже освоили. Цена на материал пока, правда, высокая, сравнимая с кобальтатом лития, но она будет падать. Для больших аккумуляторов важно еще и чтобы при нагревании не было побочных реакций с электролитом, приводящих к возгоранию. Литий-железо-фосфат — самый химически и структурно устойчивый катодный материал, он может выдерживать максимальное число циклов заряда-разряда. Когда научились получать это соединение в электрохимически-активном состоянии, забыли обо всем другом — настолько хорошо оно подходит для решения поставленных задач.

Алла Аршинова: Вообще, насколько сложны и затратны исследования в данной сфере?

Нина Косова: Они, скажем так, дорогостоящие. Нужно очень много приборов, методов, это крайне наукоемкая область. Каждый материал может быть получен разными методами, причем каждый метод, в свою очередь, может оказывать влияние на свойства полученного материала.

Концепт Jeep Renegade оснащен литий-ионной батареей, питающей два электромотора мощностью 268 лошадиных сил. Правда, на одном заряде батареи автомобиль может проехать всего 64 километра, поэтому ему помогает 1,5-литровый дизельный двигатель Bluetec

Можно назвать три основные проблемы в работе с кобальтатом лития. Во-первых, этот материал, использующийся практически во всех мобильных телефонах, сам по себе довольно дорог. Просто потому, что кобальтовое сырье де-факто находится в руках одной компании (наша собеседница не стала уточнять ее название, но, по некоторым данным, речь идет о The Umicore Group. — прим. редакции). Во-вторых, он еще и крайне ядовит, что вызывает сложности при переработке. Третий большой недостаток в том, что при заряде-разряде аккумулятора мы получаем в свое распоряжение лишь половину теоретической емкости, а вторая половина этого дорогого материала не работает, лежит в качестве балласта. Вот эти ограничения мы и стараемся обойти.

Алла Аршинова: А реально ли увеличить практическую емкость?

Нина Косова: Да, реально — например, путем поверхностного модифицирования. Но прирост будет невелик, процентов тридцать от силы. Поэтому сейчас ведутся исследования новых катодных материалов. Последние различаются, прежде всего, по структуре. Для процессов интеркаляции (мы уже упоминали этот термин), когда имеем дело с диффузией ионов лития, очень важно — по каким каналам эта диффузия происходит, какая кристаллическая структура у соединений?

Например, структура может быть слоистой. Она состоит из слоев, располагающихся друг под другом, и литий двигается в двумерных каналах. Это хороший вариант, но в нем есть неудобства: если в канале возникает дефект, то литий, дойдя до него, не может никуда повернуть. В результате емкость теряется.

Есть другие структуры. Например, шпинельные 3D-структуры, когда может осуществляться трехмерная диффузия лития. Один из представителей таких катодных материалов — литий-марганцевая шпинель. И здесь диффузия может осуществляться уже в трех направлениях. Плюс еще и в том, что соединения марганца дешевле, а шпинель термически более устойчива.

Одно из основных требований к катодным материалам — хорошая электронно-ионная проводимость. Однако в последние годы также стали интенсивно изучать соединения, которые являются диэлектриками: у них удельная электронная и ионная проводимость ниже, чем 10-9 См/см.

Алла Аршинова: И как же они тогда работают?

Нина Косова: Оказалось, что получение таких материалов в наноразмерном состоянии и создание поверхностного высокопроводящего углеродного покрытия делает их вполне конкурентоспособными. Это стало громадным рывком в области литий-ионных аккумуляторов. Сейчас одним из наиболее перспективных материалов является литий- железо-фосфат, обладающий каркасной структурой. Именно отсюда, кстати, и появилось слово «нано» в этой области. В результате создали композиционные материалы, где ядро — это литий-железо-фосфат, а оболочка — высокопроводящий углерод. Оказалось, когда размер частиц меньше ста нанометров, можно получить хорошее сцепление с поверхностью этих частиц, и материал, который вообще-то очень плохой проводник, начинает работать просто блестяще.

Алла Аршинова: А когда было открыто это свойство?

Нина Косова: В данной сфере все происходит очень быстро, и шаги от научной мысли до внедрения довольно короткие. Так, Джон Гудэнаф (John B. Goodenough) изобрел кобальтат лития в 1986 году, а уже в начале 90-х Sony начала производить аккумуляторы на его основе. Он же в 96 году получил литий-железо-фосфат, предложив использовать его в качестве катодного материала, и серийное производство началось в 2008-м. Получается, что за свои 12 лет исследований в этой области я пережила значительную часть истории развития литий-ионных аккумуляторов.

Джон Гудэнаф — человек, во многом определивший историю мобильных устройств, и сейчас, несмотря на преклонный возраст, творящий историю электромобилей

Алла Аршинова: Но вы же, наверное, не только следили за ходом истории, но и вносили свой вклад?

Нина Косова: Мы называемся Институт химии твердого тела и механохимии. Основное направление деятельности — материаловедение с применением метода механической активации. Институт много лет конструирует высоконапряженные планетарные мельницы для обработки материалов. Понимаю, что это звучит устрашающе, поэтому постараюсь объяснить попроще.

Обычная шаровая мельница — это барабан, в котором находятся шары. Внутрь загружают материал, и, когда мельница начинает работать, он измельчается при помощи ударов шаров, но измельчение никогда не происходит до наноразмеров. Без которых, как мы уже знаем, не обойтись.

Наши мельницы устроены немного по-другому. Если в шаровых мельницах используется только одно механическое воздействие — удар, то в других конструкциях может действовать сдвиг. В планетарных мельницах одновременно осуществляются два воздействия: удар и сдвиг. Планетарными они называются потому, что барабаны вращаются как вокруг собственной оси, так и вокруг общей, подобно планетам в Солнечной системе. За счет этого достигаются большие энергии и реализуется более тонкое измельчение.

Мы наблюдаем два основных эффекта: измельчение и дефектообразование. Кристаллические соединения превращаются в аморфные, становятся наноразмерными и высокореакционными. Мы даже наблюдаем протекание процессов синтеза. В результате такой обработки иногда реализуются реакции, которые могут происходить только при нагревании, а мы их наблюдаем при комнатной температуре: пять минут проактивировали смесь реагентов и получили литий-марганцевую шпинель.

Алла Аршинова: Тут самое время спросить — как вам помогает «Роснано»?

Нина Косова: Сейчас «Роснано» реализует в Новосибирске два проекта, связанных с литий-ионными аккумуляторами. Первый — это строительство завода, которое заключается в копировании китайского аналога. Согласно договору, планируется выпуск аккумуляторов для электроавтобусов по китайской технологии и из китайских материалов, но только на территории Новосибирской области.

Гибридный автобус Foton Euro V hybrid, подарок Пекина Москве как городу-побратиму

Второй проект связан с производством литий-железа-фосфата по нашей механохимической технологии, и я его научный руководитель. В нем есть три участника: ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» (НЗХК), ОАО «ТВЭЛ» и наш институт. НЗХК входит в состав ТВЭЛ, они делают оборудование для ядерных станций. Цель проекта заключается в создании технологии производства катодного материала, а затем использовании данного продукта вместо китайского по программе импортозамещения. Потому что планируется, что однажды аккумуляторный завод будет работать только на российских материалах.

Алла Аршинова: А свои инженерные решения у нас есть?

Нина Косова: Они-то есть. Но нет крупного производства литий-ионных аккумуляторов, только предприятия, пытающиеся его наладить.

Алла Аршинова: Какая «химия» будет применяться у нас?

Нина Косова: Это пока вопрос открытый. Китайские производители заявили, что используют в своих аккумуляторах железо-фосфат лития. Но до сих пор не предоставляют нам ни материалы, ни их состав. Если с китайцами у нас что-то не сложится, то, в конце концов, Прохоров начал делать свой Ё-мобиль. Промышленники, выпускающие аккумуляторы, испытывают острую необходимость в новых материалах, а то, что они могут купить за рубежом, им продают дорого и плохого качества. Поэтому потребность в материалах для литий-ионных аккумуляторов в России громадная.

Батареи с литий-железо-фосфатом применяются даже в детских игрушках. Появятся ли аналоги с надписью «Сделано в России»?

Алла Аршинова: А есть ли альтернативы этому более-менее устоявшемуся типу батарей?

Нина Косова: Конечно. Сейчас разрабатываются новые виды аккумуляторов. Например, литий-серные и литий-воздушные аккумуляторы. В Америке они начали изучаться только в последние годы, но у них тратят на такие исследования миллиарды долларов.

Алла Аршинова: А сфера применения у них будет такая же?

Нина Косова: Предположительно, да.

Алла Аршинова: В целом как вы оцениваете идею производства литий-ионных аккумуляторов в нашей стране?

Нина Косова: Все страны работают в области литий-ионных аккумуляторов, кроме России. Я уже лет двенадцать езжу на международные конференции, и, как правило, если в ней участвует 700 человек со всего мира, нашу страну представляю я одна. Поэтому, это большое и важное дело для России. Получится, не получится — другой вопрос, но главное, что на международной арене уже прозвучало: Россия начала двигаться в этом направлении. Также это хорошо с точки зрения развития города, потому что появляются новые рабочие места и связанные с ними доходы. Это важно и для развития страны в целом, ведь посмотрите — наши военные, например, до сих пор используют устаревшие типы аккумуляторов на подводных лодках, в системах наведения, в космической отрасли.

Алла Аршинова: А с чем связано наше отставание? С банальной нехваткой средств?

Нина Косова: В эту область нужны серьезные вложения. Хорошо, если бы у нас в Академгородке была создана лаборатория по литий-ионным аккумуляторам, оснащенная современным оборудованием. Нет, конечно, можно работать и без денег. На голом энтузиазме. Мы начали исследования с пустой комнаты и стула, а требовались очень дорогие исходные материалы, нужно было приобрести установки по циклированию, выпускающиеся только за рубежом… Никаких денег на это нам никто не давал, приходилось заключать хоздоговора по другой тематике и зарабатывать деньги, чтобы купить хоть что-то. Например, установки по циклированию нам сделали в качестве курсовых работ студенты НГТУ. Они хорошо потрудились, и установки получились мирового уровня. Но было потеряно время.

Та самая планетарная мельница из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН

Теперь мы догоняем мир. Когда в 1998 году на международной конференции по ионике твердого тела я впервые рассказала, что мы синтезируем наноразмерные катодные материалы, это было новым и необычным — до того момента все синтезировали только материалы микронных размеров. Считалось, что если уйти в нано, будут нежелательные эффекты, связанные с побочными реакциями с электролитом. Но оказалось, что это не совсем так. Сейчас большинство докладов на конференциях по литий-ионным аккумуляторам посвящено наноматериалам. Мы действительно были пионерами в этой области. И если бы в тот момент получили финансовую поддержку, то и завод был бы построен на 10 лет раньше, и уж, наверное, Россия обошлась бы без китайских технологий…

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Преимущества и ограничения литий-ионной батареи

В течение многих лет никель-кадмиевый аккумулятор был единственным подходящим аккумулятором для портативного оборудования от беспроводной связи до мобильных компьютеров. В начале 1990-х появились металлогидридные никель-металлогидридные и литий-ионные продукты, которые боролись лицом к лицу за признание потребителей. Сегодня литий-ионные аккумуляторы — это наиболее быстро развивающаяся и многообещающая химия для аккумуляторов.

Литий-ионный аккумулятор

Пионерские работы с литиевой батареей начались в 1912 году под руководством Г.Н. Льюис, но только в начале 1970-х годов, когда в продажу поступили первые неперезаряжаемые литиевые батареи. литий — самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию для веса.

Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи не увенчались успехом из-за проблем с безопасностью. Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно во время зарядки, исследования переключились на неметаллическую литиевую батарею, использующую ионы лития.Хотя литий-ионный аккумулятор немного ниже по плотности энергии, чем металлический литий, он безопасен при соблюдении определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. В 1991 году корпорация Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор. Другие производители последовали их примеру.

Плотность энергии литий-иона обычно вдвое больше, чем у стандартного никель-кадмиевого сплава. Есть потенциал для более высоких плотностей энергии. Нагрузочные характеристики достаточно хорошие и с точки зрения разряда ведут себя так же, как никель-кадмиевые.Высокое напряжение ячеек 3,6 В позволяет создавать аккумуляторные батареи только с одним элементом. Большинство современных мобильных телефонов работают на одной соте. Для блока на основе никеля потребуются три последовательно соединенных 1,2-вольтовых элемента.

Литий-ионная батарея не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов. Память отсутствует, и для продления срока службы батареи не требуется регулярных циклов. Кроме того, саморазряд меньше чем наполовину по сравнению с никель-кадмиевым, что делает литий-ионные аккумуляторы хорошо подходящими для современных датчиков уровня топлива.литий-ионные элементы при утилизации не причиняют особого вреда.

Несмотря на свои общие преимущества, литий-ионный имеет свои недостатки. Он хрупкий и требует схемы защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в каждую батарею, ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения ячейки при разряде. Кроме того, контролируется температура ячейки, чтобы предотвратить перепады температур. Максимальный ток заряда и разряда на большинстве блоков ограничен от 1С до 2С.При соблюдении этих мер предосторожности возможность появления металлического литиевого покрытия из-за перезарядки практически исключается.

Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители умалчивают об этой проблеме. Некоторое ухудшение емкости заметно через год, независимо от того, используется аккумулятор или нет. Батарея часто выходит из строя через два-три года. Следует отметить, что другие химические вещества также обладают возрастными дегенеративными эффектами.Это особенно верно для никель-металлогидрида при воздействии высоких температур окружающей среды. В то же время известно, что литий-ионные аккумуляторы в некоторых приложениях служат пять лет.

Производители постоянно совершенствуют литий-ионные. Новые и улучшенные химические комбинации вводятся каждые шесть месяцев или около того. При таком быстром прогрессе сложно оценить, насколько долго обновленная батарея устареет.

Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химических веществ).Производители рекомендуют хранить при температуре 15 ° C (59 ° F). Кроме того, при хранении аккумулятор должен быть частично заряжен. Производитель рекомендует заряд 40%.

Самый экономичный литий-ионный аккумулятор с точки зрения удельной стоимости — это цилиндрический 18650 (размер 18 мм x 65,2 мм). Эта ячейка используется для мобильных вычислений и других приложений, не требующих ультратонкой геометрии. Если требуется тонкий корпус, лучшим выбором будет призматический литий-ионный элемент.Эти клетки имеют более высокую стоимость с точки зрения накопленной энергии.

Преимущества

  • Высокая плотность энергии — потенциал для еще большей мощности.
  • В новом состоянии не требует длительного грунтования. Достаточно одной регулярной зарядки.
  • Относительно низкий саморазряд — саморазряд в два раза меньше, чем у никелевых аккумуляторов.
  • Низкие эксплуатационные расходы — периодическая разрядка не требуется; нет памяти.
  • Специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.

Ограничения

  • Требуется схема защиты для поддержания напряжения и тока в безопасных пределах.
  • Подвержены старению, даже если они не используются — хранение в прохладном месте при 40% -ном заряде снижает эффект старения.
  • Ограничения на транспортировку — отгрузка больших объемов может подлежать регулирующему контролю.Это ограничение не распространяется на ручные аккумуляторные батареи.
  • Дороговизна в производстве — примерно на 40 процентов дороже, чем никель-кадмиевые.
  • Не до конца зрелые — металлы и химия постоянно меняются.

Литий-полимерный аккумулятор

Литий-полимерный отличается от обычных аккумуляторных систем типом используемого электролита. В оригинальной конструкции 1970-х годов используется сухой твердый полимерный электролит.Этот электролит напоминает пластиковую пленку, которая не проводит электричество, но позволяет обмениваться ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Конструкция из сухого полимера упрощает изготовление, надежность, безопасность и геометрию тонкого профиля. При толщине ячейки всего один миллиметр (0,039 дюйма) конструкторы оборудования предоставлены самому себе в плане формы, формы и размера.

К сожалению, сухой литий-полимер имеет плохую проводимость. Внутреннее сопротивление слишком велико и не может обеспечить всплески тока, необходимые для питания современных устройств связи и раскрутки жестких дисков мобильного вычислительного оборудования. Нагревание ячейки до 60 ° C (140 ° F) и выше увеличивает проводимость, что не подходит для портативных приложений.

Для компромисса было добавлено немного гелеобразного электролита. В коммерческих элементах используется мембрана сепаратор / электролит, изготовленная из того же традиционного пористого полиэтилена или полипропиленового сепаратора, заполненного полимером, который гелеобразуется при заполнении жидким электролитом.Таким образом, коммерческие литий-ионные полимерные элементы очень похожи по химическому составу и материалам на их аналоги с жидким электролитом.

Литий-ионный полимер не прижился так быстро, как ожидали некоторые аналитики. Его превосходство над другими системами и низкие производственные затраты не были реализованы. Никаких улучшений в увеличении емкости не достигается — фактически, емкость немного меньше, чем у стандартной литий-ионной батареи. Литий-ионный полимер находит свою рыночную нишу в тонких пластинах, таких как батареи для кредитных карт и другие подобные приложения.

Преимущества

  • Очень низкий профиль — возможны батареи, напоминающие профиль кредитной карты.
  • Гибкий форм-фактор — производители не ограничиваются стандартными форматами ячеек. При большом объеме можно экономично произвести любой разумный размер.
  • Легкие гелеобразные электролиты позволяют упростить упаковку за счет отсутствия металлической оболочки.
  • Повышенная безопасность — более устойчивая к перезарядке; меньше шансов на утечку электролита.

Ограничения

  • Более низкая плотность энергии и меньшее количество циклов по сравнению с литий-ионным.
  • Дорого в производстве.
  • Стандартных размеров нет. Большинство ячеек производится для массовых потребительских рынков.
  • Более высокое соотношение стоимости и энергии, чем у литий-ионного

Ограничения по содержанию лития для авиаперевозок

Авиапутешественники задают вопрос: «Сколько лития в батарее мне разрешено брать с собой на борт?» Мы различаем два типа аккумуляторов: литий-металлические и литий-ионные.
Большинство литий-металлических батарей не подлежат перезарядке и используются в пленочных фотоаппаратах. Литий-ионные аккумуляторы служат для питания ноутбуков, сотовых телефонов и видеокамер. Оба типа батарей, включая запасные, разрешены в ручной клади, но не могут превышать следующего содержания лития:
— 2 грамма для литий-металлических или литиевых батарей
— 8 граммов для литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи весом более 8 граммов, но не более 25 граммов могут перевозиться в ручной клади, если они имеют индивидуальную защиту от короткого замыкания и ограничены двумя запасными батареями на человека.

Как узнать содержание лития в литий-ионной батарее? С теоретической точки зрения в типичной литий-ионной батарее нет металлического лития. Однако необходимо учитывать эквивалентное содержание лития. Для литий-ионного элемента это рассчитывается как 0,3 номинальной емкости (в ампер-часах).

Пример: Литий-ионный аккумулятор емкостью 2 Ач 18650 содержит 0,6 грамма лития. На типичном аккумуляторе 60 Вт · ч для ноутбука с 8 ячейками (4 последовательно и 2 параллельно) это в сумме дает 4.8г. Максимальный аккумулятор, который вы можете взять с собой, составляет 96 Втч, чтобы не превышать 8-граммовый предел ООН. Этот пакет может включать ячейки 2,2 Ач в структуре из 12 ячеек (4s3p). Если бы вместо этого использовалась ячейка 2,4 Ач, необходимо было бы ограничить батарею 9 ячейками (3s3p).

Ограничения на отгрузку литий-ионных аккумуляторов

  • Любой, кто отправляет литий-ионные аккумуляторы оптом, несет ответственность за соблюдение правил перевозки. Это касается внутренних и международных перевозок по суше, морю и воздуху.
  • Литий-ионные элементы, эквивалентное содержание лития которых превышает 1,5 грамма или 8 граммов на аккумуляторную батарею, должны транспортироваться как «прочие опасные материалы класса 9». Емкость элементов и количество элементов в упаковке определяют содержание лития.
  • Исключение составляют упаковки, содержащие менее 8 граммов лития. Однако, если посылка содержит более 24 литиевых элементов или 12 литий-ионных аккумуляторных батарей, потребуются специальная маркировка и отгрузочные документы.На каждой упаковке должно быть указано, что она содержит литиевые батареи.
  • Все литий-ионные батареи должны быть испытаны в соответствии со спецификациями, указанными в UN 3090, независимо от содержания лития (Руководство ООН по испытаниям и критериям, часть III, подраздел 38.3). Эта мера предосторожности защищает от транспортировки неисправных батарей.
  • Элементы и батареи должны быть разделены во избежание короткого замыкания и упакованы в прочные коробки.

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта.Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык и избегать спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected] Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Или перейти к другому архиву

Литий-ионный аккумулятор

Содержание

Введение в литий — Почему Flux Power использует LiFeP04 — Система управления батареями

Введение в литий-ионные батареи

Литий-ионные батареи были изобретены в 1980 году Джоном Гуденафом; они были коммерциализированы в 1991 году компанией Sony. В последнее десятилетие литий-ионные батареи стали доминирующим химическим составом аккумуляторных батарей почти во всех отраслях промышленности.Литий-ионный, по сравнению с предыдущими популярными химическими веществами (свинцово-кислотный, никель-кадмиевый и щелочной), во многих отношениях лучше. С развитием технологий безопасная и мощная батарея остро нуждается. Литий — наиболее энергоемкий химический состав, который используется, и с дополнительными функциями может быть самым безопасным. Энергия лития — активная область исследований, поэтому каждый год разрабатываются новые химические продукты. Некоторые из самых популярных химикатов:

1. Титанат лития (LTO)
2.Оксид лития-кобальта (LCO)
3. Литий-никель-марганец-кобальт (NMC)
4. Литий-железо-фосфат (LFP)

Хотя это все литиевые батареи, между ними есть ключевые различия.

LTO имеет очень долгий срок службы и широкий диапазон температур. Они способны выдерживать большие токи заряда, превышающие 10 ° C. Они имеют одну из самых низких плотностей энергии (2,4 В / элемент) среди всех литиевых батарей и являются одними из самых дорогих.

LCO стал очень популярным из-за его высокой плотности энергии (3.6 В / элемент). Кобальт — очень энергоемкий материал, но он чрезвычайно летуч и дорог. Это ресурс, который быстро истощается и, по оценкам, иссякнет через 50 лет или из-за недавнего увеличения его потребления. LCO имеет много недостатков, они не могут выдерживать большие токи заряда, очень чувствительны к температуре и имеют короткий срок службы.

NMC — это быстро развивающаяся химия, на момент написания этой статьи. Смешивание никеля, марганца и кобальта дает очень хорошо продуманную батарею.Благодаря высокой плотности энергии (3,6 В / элемент) и меньшему использованию кобальта, он стал одним из самых востребованных аккумуляторов в отрасли. Из-за более низкой концентрации кобальта он безопаснее, чем LCO. Его жизненный цикл длиннее, чем у LCO, но короче, чем у LTO. Он может выдерживать токи заряда до 2 ° C и более широкий диапазон температур. Также важно знать, что батареи, содержащие кобальт, требуют большего количества функций безопасности, которые делают батареи более дорогими.

LFP популярен в отраслях с интенсивным использованием и суровыми условиями эксплуатации.Хотя этот химический состав имеет немного более низкую плотность энергии (3,2 В / элемент), он может выдерживать множество злоупотреблений. Он имеет длительный срок службы, дешевле и намного безопаснее, поскольку не содержит кобальта и может выдерживать очень широкий диапазон температур. Он также может выдерживать токи разряда до 20С. В целом это самая безопасная и надежная химия.

LTO LCO NMC LFP
Напряжение 2.4 вольта 3,60 В 3,6 В 3,2 вольта
C-Rate 10C 2C 20C
Срок службы 3000 500 1500 2500
Термический побег 280 ° С 150 ° С 210 ° С 270 ° С
Стоимость 1,000 $ за кВтч 450 долл. США за кВт · ч 700 долл. США за кВт · ч 400 долл. США за кВт · ч

Таблица 1: Сравнение LTO, LCO, NMC, LFP

Проще говоря, литий-ионная батарея относится к батарее с отрицательным электродом (анодом) и положительным электродом (катодом), которые переносят ионы лития между двумя материалами.Ионы лития перемещаются от анода к катоду во время разряда и оседают (интеркалируют) в положительный электрод (рис. 1), который состоит из лития и других металлов. Во время зарядки этот процесс обратный.

Рис. 1. Поток электронов и Li + Ion во время использования

Внутри ячеек имеется много слоев анода и катода с разделителем между ними. Между двумя пластинами также находится раствор электролита, обычно LiPF6, смешанный с жидким раствором.Эта комбинация материалов может быть уложена друг на друга (призматические ячейки) или намотана по спирали (цилиндрические ячейки). Клетки различаются по размеру и форме; некоторые из них заключены в пластиковый корпус, а другие — в алюминиевые. Корпус зависит от среды, в которой они находятся, а размер определяется объемом емкости, необходимой для приложения.

Рис. 2. Цилиндрические, призматические и карманные типы ячеек.

Каждый литий-ионный элемент имеет безопасный диапазон напряжения, в котором он может работать.Этот диапазон зависит от химического состава батареи. Например, батарея LFP при 0% состоянии заряда (SOC) составляет 2,8 В, а при 100% SOC — 3,6 В. Это считается безопасным рабочим диапазоном этой батареи. Понижение уровня SOC ниже указанного 0% может привести к ухудшению характеристик электродов. Это считается чрезмерной разрядкой. Если элемент постоянно чрезмерно разряжается, это может вызвать множество проблем, которые необратимо повредят аккумулятор. То же самое верно и для перезарядки, превышающей заявленное 100% SOC. Эти две ошибки побудили производителей аккумуляторов разработать защитные устройства и функции.

Батарея обычно состоит из множества ячеек, работающих вместе друг с другом. Рассмотрим элемент LFP с номинальным напряжением 3,2 В и емкостью 100 Ач. Для большинства приложений требуется более высокое напряжение и емкость, как это сделать? Для увеличения напряжения батареи несколько элементов должны быть соединены последовательно. Для увеличения емкости ячейки необходимо подключать параллельно. Например, предположим, что нам нужен аккумулятор на 12 В емкостью 300 Ач. С данной ячейкой LFP нам потребуется 4 ячейки последовательно и 3 модуля параллельно.В результате получится система с напряжением 12,8 В и емкостью 300 Ач.

Рис. 3. Схема системы ячеек

Четыре основных компонента электролизера: анод, катод, сепаратор и раствор электролита.

Анод

Анод — это отрицательный электрод в ячейке. В литий-ионных батареях очень часто он состоит из лития и углерода, обычно графитового порошка. Ток может собираться благодаря медной пленке, которая совмещена с электродом.Чистота, размер частиц и однородность анода влияют на характеристики и емкость старения.

Катод

Катод — положительный электрод. Здесь вступают в игру все химические составы. Катод — это то, что определяет общий химический состав лития. Как и анод, токоприемник объединен с материалом, поэтому может происходить поток электронов. Катод обычно объединяют с алюминиевой пленкой. Как показано выше, существует много разных химикатов.Ключевыми различиями между ними являются температура, при которой они реагируют с электролитом (тепловой разгон), и создаваемое ими напряжение.

Электролит

Электролит позволяет переносить ионы лития между пластинами. Обычно он состоит из различных органических карбонатов, таких как этилен, карбонат и диэтилкарбонат. Различные смеси и соотношения различаются в зависимости от области применения ячейки. Например, для низкотемпературного применения раствор электролита будет иметь более низкую вязкость по сравнению с раствором, приготовленным для окружающей среды при комнатной температуре.Соли лития необходимы в смеси электролита, соль определяет проводимость раствора, а также способствует образованию поверхности раздела твердого электролита (SEI). В литиевых батареях гексафторфосфат лития (LiPF6) является наиболее распространенной литиевой солью. LiPF6 может производить плавиковую кислоту (HF) при смешивании с водой. SEI — это химическая реакция между металлическим литием и электролитом. В нормальных условиях производитель элемента обычно медленно заряжает элемент, чтобы сформировать ровный SEI на угольном аноде.

Разделитель

Сепараторы литий-ионных элементов представляют собой пористые пластиковые пленки, предотвращающие прямой контакт анода и катода. Пленки обычно имеют толщину 20 мкм и имеют небольшие насыпи, которые позволяют ионам лития проходить сквозь них в процессе заряда и разряда. Сепаратор «отключения» является наиболее распространенным. Этот сепаратор закроет поры, чтобы предотвратить прохождение ионов лития, как только ячейка выйдет за пределы температурного диапазона или произойдет короткое замыкание. Сепараторы продолжают разрабатываться сегодня для повышения безопасности, а также увеличения емкости ячеек.Для дальнейшего ознакомления вы можете посмотреть эти две статьи. Самые популярные литиевые батареи и почему литиево-ионные батареи лучше подходят для вилочных погрузчиков.

Почему в Flux Power используется LiFeP04

Мы в Flux Power гордимся тем, что являемся экспертами в области решений для хранения энергии. Вот почему мы выбрали превосходный химический состав аккумуляторов, который был подтвержден десятилетиями исследований и внедрения во многих приложениях. Кроме того, наши решения по хранению энергии имеют множество преимуществ перед современными свинцово-кислотными технологиями.Дополнительные сведения о различиях между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами см. В статье «Лучше ли литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков, чем свинцово-кислотные».

Емкость и срок службы

Одним из наиболее важных преимуществ выбора литий-ионных аккумуляторов Flux Power является резкое увеличение плотности энергии по сравнению с нынешними решениями для свинцово-кислотных аккумуляторов. В Flux Power используется литий-железо-фосфат (LiFePO4), удельная энергия которого составляет ~ 110 ватт-часов на килограмм, по сравнению со свинцово-кислотными ~ 40 ватт-часами на килограмм.Что это значит? Наши батареи могут быть ~ 1/3 веса для аналогичных ампер-часов.

Литий-ионный аккумулятор Flux Power не только накапливает больше энергии, но и время цикла намного превышает срок службы свинцово-кислотных и многих других литиевых компонентов.

В нашей статье «5 шагов для увеличения срока службы литий-ионной батареи» вы найдете дополнительные советы, которые помогут вам максимально эффективно использовать батарею.

На химический состав каждого элемента батареи влияет глубина разряда, и чем глубже разряд, тем короче срок службы.Литий-ионный аккумулятор Flux Power может разряжаться на 80%, сохраняя при этом длительный срок службы (> 2000 циклов). Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов резко сокращается. Фактически, при глубине разряда 80% свинцово-кислотные батареи служат всего 400-500 циклов, что означает, что наши батареи служат в 5 раз дольше.

Литий-ионные батареи — Промышленные устройства и решения

< Пожалуйста, обратите внимание на следующий момент, прежде чем рассматривать покупку >
■ Как правило, мы не продаем литий-ионные батареи цилиндрического и призматического типа.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные батареи генерируют постоянный ток за счет химических реакций. Когда батареи разряжены и заряжены, ионы лития перемещаются между электродами (катодом и анодом) внутри батарей. Обычно катодный материал состоит из оксидов переходных металлов на основе кобальта, никеля или марганца, а материал анода состоит из графита.
Катод и анод изготовлены с использованием слоистой структуры, и ионы лития расположены между слоями.Во время заряда ионы лития перемещаются от катода к аноду. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду.

Литий-ионный аккумулятор

Основные характеристики

・ Высокая плотность энергии: литий-ионные батареи обладают большей плотностью энергии по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей (никель-металлогидридная батарея, никель-кадмиевая батарея, свинцово-кислотная батарея), что позволяет батареям становиться меньше и легче.
・ Большая мощность: поскольку рабочее напряжение литий-ионной батареи выше, чем у других типов аккумуляторных батарей, она может поддерживать большую мощность.
・ Длительный срок службы: аккумуляторные батареи можно использовать повторно при зарядке. Срок службы литий-ионного аккумулятора определяется как количество полных циклов зарядки / разрядки. Чем больше количество циклов полной зарядки / разрядки, тем дольше прослужат батареи.

Прочность литий-ионных батарей Panasonic

Высокая емкость и высокая безопасность — сильные стороны аккумуляторов Panasonic, особенно аккумуляторов большой емкости (или аккумуляторов с высокой плотностью энергии). По мере увеличения емкости (или плотности энергии) становится все более важным обеспечить безопасность батарей.В результате Panasonic продолжает разрабатывать лучшие материалы для аккумуляторов и производственные процессы, а также работать над улучшением технологии управления аккумулятором, которая позволит безопасно использовать аккумуляторы Panasonic, особенно при наложении слоев от элемента к блоку, модулю и системе. Эти действия помогают батареям Panasonic поддерживать очень высокую надежность.
Используя аккумуляторы Panasonic по максимуму, Panasonic может предложить наиболее подходящие аккумуляторные батареи для широкого спектра применений.

Что такое технология литиевых батарей?

Литиевые батареи

отличаются от батарей другого химического состава из-за их высокой плотности энергии и низкой стоимости цикла. Однако «литиевая батарея» — термин неоднозначный. Существует около шести общих химических составов литиевых батарей, каждая из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки. Для возобновляемых источников энергии преобладающим химическим составом является фосфат лития-железа (LiFePO4). Этот химический состав обладает превосходной безопасностью, высокой термической стабильностью, высокими номинальными токами, длительным сроком службы и устойчивостью к неправильному обращению.

Литий-железо-фосфат (LiFePO4) — это чрезвычайно стабильный химический состав лития по сравнению почти со всеми другими химическими соединениями лития. Аккумуляторная батарея собрана из безопасного катодного материала (фосфата железа). По сравнению с другими химическими составами лития фосфат железа способствует прочной молекулярной связи, которая выдерживает экстремальные условия зарядки, продлевает срок службы и поддерживает химическую целостность в течение многих циклов. Это то, что придает этим батареям отличную термическую стабильность, длительный срок службы и устойчивость к неправильному обращению.Батареи LiFePO4 не склонны к перегреву, они не склонны к «тепловому неуправлению» и, следовательно, не перегреваются и не воспламеняются при неправильном обращении или суровых условиях окружающей среды.

В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторов другого химического состава, литиевые аккумуляторы не выделяют опасных газов, таких как водород и кислород. Также нет опасности воздействия едких электролитов, таких как серная кислота или гидроксид калия. В большинстве случаев эти батареи можно хранить в закрытых помещениях без риска взрыва, и правильно спроектированная система не требует активного охлаждения или вентиляции.

Литиевые батареи

представляют собой сборку, состоящую из множества ячеек, таких как свинцово-кислотные батареи и многие другие типы батарей. Свинцово-кислотные батареи имеют номинальное напряжение 2 В на элемент, а элементы литиевых батарей имеют номинальное напряжение 3,2 В. Следовательно, чтобы получить аккумулятор на 12 В, вы обычно будете иметь четыре последовательно соединенных элемента. Это сделает номинальное напряжение LiFePO4 12,8 В. Восемь элементов, соединенных последовательно, образуют батарею 24 В с номинальным напряжением 25,6 В, а шестнадцать, соединенные последовательно, образуют батарею 48 В с номинальным напряжением 51.2В. Эти напряжения очень хорошо работают с вашими типичными инверторами на 12, 24 и 48 В.

Литиевые батареи

часто используются для непосредственной замены свинцово-кислотных аккумуляторов, поскольку они имеют очень близкие зарядные напряжения. Четырехэлементный аккумулятор LiFePO4 (12,8 В) обычно имеет максимальное напряжение заряда 14,4–14,6 В (в зависимости от рекомендаций производителя). Уникальность литиевых батарей в том, что они не нуждаются в абсорбционном заряде или в поддержании постоянного напряжения в течение значительных периодов времени.Обычно, когда батарея достигает максимального зарядного напряжения, ее больше не нужно заряжать. Разрядные характеристики аккумуляторов LiFePO4 также уникальны. Во время разряда литиевые батареи будут поддерживать гораздо более высокое напряжение, чем свинцово-кислотные батареи обычно под нагрузкой. Литиевая батарея нередко теряет лишь несколько десятых вольта при полном заряде до 75% разряда. Это может затруднить определение того, какая емкость была использована без оборудования для мониторинга батареи.

Существенным преимуществом литиевых аккумуляторов перед свинцово-кислотными аккумуляторами является то, что они не подвержены циклическому дефициту. По сути, это когда батареи не могут быть полностью заряжены до того, как снова разрядятся на следующий день. Это очень большая проблема для свинцово-кислотных аккумуляторов, которая может вызвать значительную деградацию пластин, если повторно использовать этот метод. Аккумуляторы LiFePO4 не требуют регулярной полной зарядки. Фактически, можно немного увеличить общую продолжительность жизни с помощью небольшой частичной зарядки вместо полной.

Эффективность — очень важный фактор при проектировании солнечных электрических систем. КПД в оба конца (от полного до разряженного и обратно в полный) средней свинцово-кислотной батареи составляет около 80%. Другая химия может быть еще хуже. Энергоэффективность литий-железо-фосфатной батареи в оба конца составляет более 95-98%. Одно это уже является значительным улучшением для систем, в которых зимой не хватает солнечной энергии, экономия топлива за счет зарядки генератора может быть огромной. Стадия абсорбционного заряда свинцово-кислотных аккумуляторов особенно неэффективна, в результате чего КПД составляет 50% или даже меньше.Учитывая, что литиевые батареи не поглощают заряд, время зарядки от полностью разряженного до полностью полного заряда может составлять всего два часа. Также важно отметить, что литиевая батарея может практически полностью разрядиться без значительных побочных эффектов. Однако важно следить за тем, чтобы отдельные элементы не разряжались слишком сильно. Это задача интегрированной системы управления батареями (BMS).

Безопасность и надежность литиевых батарей — большая проблема, поэтому все сборки должны иметь интегрированную систему управления батареями (BMS).BMS — это система, которая контролирует, оценивает, уравновешивает и защищает ячейки от работы за пределами «безопасной рабочей зоны». BMS является важным компонентом безопасности системы литиевых батарей, контролируя и защищая элементы внутри батареи от перегрузки по току, пониженного / повышенного напряжения, пониженной / повышенной температуры и т. Д. Элемент LiFePO4 будет безвозвратно поврежден, если напряжение элемента упадет до менее 2,5 В, он также будет безвозвратно поврежден, если напряжение элемента увеличится до более чем 4.2В. BMS контролирует каждую ячейку и предотвращает повреждение ячеек в случае пониженного / повышенного напряжения.

Еще одна важная задача BMS — сбалансировать батарею во время зарядки, гарантируя, что все элементы будут полностью заряжены без перезарядки. Ячейки батареи LiFePO4 не будут автоматически сбалансированы в конце цикла зарядки. Есть небольшие вариации в импедансе ячеек, поэтому ни одна ячейка не идентична на 100%. Следовательно, при циклическом включении некоторые элементы будут полностью заряжены или разряжены раньше, чем другие.Разница между ячейками со временем значительно увеличится, если ячейки не сбалансированы.

В свинцово-кислотных аккумуляторах ток будет продолжать течь, даже когда одна или несколько ячеек полностью заряжены. Это результат электролиза внутри батареи, когда вода расщепляется на водород и кислород. Этот ток помогает полностью зарядить другие ячейки, естественным образом уравновешивая заряд всех ячеек. Однако полностью заряженный литиевый элемент будет иметь очень высокое сопротивление и будет течь очень небольшой ток.Поэтому отстающие элементы не будут полностью заряжены. Во время балансировки BMS будет прикладывать небольшую нагрузку к полностью заряженным элементам, предотвращая их перезарядку и позволяя другим элементам наверстать упущенное.

Литиевые батареи

обладают множеством преимуществ по сравнению с батареями другого химического состава. Это безопасное и надежное решение для аккумуляторов, не опасающееся теплового разгона и / или катастрофического расплавления, что является значительной вероятностью для других типов литиевых аккумуляторов. Эти батареи предлагают чрезвычайно длительный срок службы, причем некоторые производители даже гарантируют, что батареи выдерживают до 10 000 циклов.Благодаря высокой скорости разряда и перезарядки, превышающей C / 2 в непрерывном режиме, и КПД в оба конца до 98%, неудивительно, что эти батареи набирают обороты в отрасли. Литий-железный фосфат (LiFePO4) — идеальное решение для хранения энергии.

Перспективы для литий-ионных аккумуляторов и не только — видение 2030 года

Здесь стратегии можно условно разделить на следующие категории:

  1. (1)

    Поиск новых электродных материалов LIB.

  2. (2)

    «Сделанные на заказ» аккумуляторы для более широкого спектра применений.

  3. (3)

    Отказ от традиционных жидких электролитов — например, ионных жидкостей, электролитов с высоким содержанием соли и твердотельных батарей (SSB).

  4. (4)

    Обеспечение окислительно-восстановительной химии анионов — Li-воздух, Li-сера и другие.

  5. (5)

    Выходя за рамки Li: Na, Mg, Ca, Al.

  6. (6)

    Разделение электрохимии и накопителя — проточные окислительно-восстановительные батареи.

Поиск новых материалов для электродов LIB представляет собой область со значительными трудностями.Хотя о новых материалах или морфологиях сообщается регулярно, чтобы быть коммерчески значимыми, они должны быть масштабируемыми. Объемная и гравиметрическая плотности энергии должны отражать плотности энергии электрода, а не только самих материалов, то есть должны быть продемонстрированы скоростные характеристики электрода, который содержит достаточно активного материала, чтобы обеспечить требуемую плотность энергии для рассматриваемого применения. Сравнительно рано в рамках проекта «Материалы» была добыта вся база данных неорганических структур (ICSD) и материалы, предложенные с помощью алгоритмов интеллектуального анализа данных (включая простую замену элементов при сохранении фиксированного типа структуры) — на тот момент более 10 000 материалов.В то время как было получено значительное понимание того, какие структурные особенности управляют напряжением и т. Д., Было обнаружено только ограниченное количество новых классов материалов батарей. Например, были идентифицированы карбонофосфаты, которые представляют собой тип минеральной структуры, который ранее не синтезировался и не тестировался в аккумуляторных батареях 11 . Последующие действия по прогнозированию структуры сгенерировали множество (мета) стабильных структур, но остается проблема идентифицировать структуры, которые устойчивы при циклическом воздействии, например, по отношению к потере кислорода, особенно в верхней части заряда, или, в более общем плане, к структурным перестройкам.Даже если структура предсказана, в настоящее время непросто предсказать, можно ли и как их синтезировать 12 .

Область, которая в последнее время привлекла большое внимание, — это окислительно-восстановительный потенциал связанных переходных металлов и анионов. Хотя это установлено в химии на основе серы, где сульфид-ионы, S 2-, могут быть легко и обратимо окислены до персульфидов, S 2 2- и элементарной серы (в литий-серных батареях), существуют отчетливые различия, когда анион является оксидным ионом.Более высокая окислительно-восстановительная пара O 2- / O означает, что окислительно-восстановительный процесс аниона может происходить одновременно с окислительно-восстановительной химией катионов, обеспечивая более высокую производительность и сопряженные процессы. Проблемы связаны с часто сопутствующей нестабильностью по отношению к потере кислорода и структурным изменениям, сопровождающим удаление Li. Последнее может привести к гистерезису между зарядом и разрядом и «падению напряжения», наблюдаемому в так называемых материалах с избытком лития. Хотя это напрямую не связано, многие из этих химикатов связаны с низкими показателями.Однако «лишние Li-материалы» содержат более высокое содержание Mn, чем типичные катодные материалы EV-типа, и поэтому потенциально могут быть как более дешевыми, так и более экологически чистыми, что еще больше мотивирует их исследования. В следующие 10 лет мы увидим более глубокое понимание того, как эти материалы функционируют и как можно уменьшить потерю кислорода. Возможно, появятся приложения, в которых они смогут оказать влияние?

Мы не касались широкого диапазона электродных материалов, исследуемых в течение многих лет, которые включают химические процессы замещения или преобразования, где литиирование (или натрирование) приводит к частичной или полной перестройке решеток.Здесь к проблемам относятся: производительность, гистерезис напряжения и срок службы. Металлический литий продолжает привлекать значительное внимание в качестве анода, но образование дендритов лития остается проблемой, обеспечивая значительный стимул для продвижения всех твердотельных батарей (SSB) с твердотельными электролитами.

Ни один из перечисленных выше вариантов химии Li не является однозначным, за исключением, возможно, Na, где можно применить многие знания, полученные для LIB. Но даже здесь есть явные различия из-за большего размера Na, который способствует разным координационным средам и решеткам (например,g., графит не может вмещать Na), и более высокая растворимость солей Na в SEI, что означает, что требуются другие добавки электролита.

Один вопрос, над которым стоит задуматься, — это степень, в которой новые развивающиеся — или более мелкие «нишевые» рынки могут терпеть новые химические составы батарей, или всегда ли сокращение затрат, связанное с масштабом, будет способствовать использованию ограниченного набора химикатов батарей. Оксид лития-титана (LTO) в настоящее время имеет относительно скромный рынок приложений, включая быструю зарядку, где безопасность и способность работать в широком диапазоне температур являются проблемами: материал анода работает при 1.55 В по сравнению с Li, где ни покрытие Li, ни обычное формирование SEI не являются проблемой. В настоящее время разрабатываются альтернативы LTO, которые включают оксид ниобия и титана (NTO) от Toshiba и соединения оксида ниобия-вольфрама в нашей лаборатории, с потенциальным применением в аккумуляторных батареях небольшого размера. Батареи с другим напряжением могут быть более подходящими для новых приложений микроэлектроники (например, при падении напряжения, необходимого для компьютерных микросхем), устраняя необходимость в преобразовании постоянного тока в постоянный и их легче соединять с электроникой, собирающей энергию.Небольшие первичные батареи в настоящее время используются для питания некоторых удаленных датчиков. Предполагается, что они потребуются в миллиардах или триллионах для обеспечения работы устройств Интернета вещей (IoT), что потребует значительной рабочей силы для их замены, часто из труднодоступных мест 13 . Можно ли производить новые аккумуляторные батареи по достаточно низкой цене для различных применений, которые часто делают на заказ? Медицинские батареи могут допускать более высокую наценку, что, возможно, позволяет разрабатывать батареи из других материалов, но здесь надежность и безопасность будут иметь первостепенное значение.

Авторы убеждены, что фундаментальная наука будет ключом к преодолению множества и разнообразных фундаментальных препятствий в пространстве «за пределами LIB». начальный синтез, к их стабильности в неравновесных и суровых условиях — будь то температура или напряжение. Мы должны научиться управлять межфазными структурами — от SEI до интерфейсов между двумя компонентами в твердотельной батарее.Необходимы более совершенные структурные модели этих интерфейсов, чтобы улучшить нашу способность вычислять соответствующие процессы с реалистичными вычислительными ресурсами и улучшить наше понимание того, как они функционируют. Идеи самовосстановления систем возникли в области полимеров и были предложены в качестве потенциальных механизмов безопасного отключения, но, глядя в будущее, эти концепции должны быть воплощены в химии катодов и анодов. Мы должны продолжать разрабатывать новые методы, чтобы улучшить наше понимание множественных неравновесных процессов в батареях: с ростом требований к технологиям, в сочетании с целями ZC, которые диктуют сокращение и более устойчивое использование энергии, потребность в фундаментальных и прикладных исследованиях становится более важной, чем когда-либо, и впереди еще предстоит решить множество фундаментальных научных задач.

Литиевые батареи: до пределов литиевых

Исследователи разрабатывают тип батареи, который в десять раз превосходит обычные батареи.

Есть одна важная причина, по которой вы можете носить с собой в кармане мощный микрокомпьютер. Литий-ионные батареи были признаны революционерами в области связи и транспорта, что привело к появлению сверхтонких смартфонов и электромобилей с практичным запасом хода.

Смартфоны распространены повсеместно; Большую часть своего успеха они обязаны литий-ионным батареям, которые их питают.
Предоставлено: Jetta Productions / Getty Images

Эти инновации стали возможными, потому что литий-ионные батареи могут быть намного меньше и легче, чем никель-кадмиевые батареи предыдущего поколения, но при этом обеспечивать такую ​​же мощность. Более того, литий-ионные аккумуляторы дольше сохраняют свой заряд и состоят из гораздо менее токсичных материалов.

Как самый легкий металл в таблице Менделеева и тот, который больше всего стремится терять свои электроны, литий является идеальным элементом для изготовления мощных портативных батарей.Он может выполнять большую часть работы с наименьшей массой и наименьшими химическими осложнениями.

Но разработка литиевых батарей была сопряжена с трудностями. Первые версии, разработанные базирующейся в Техасе нефтяной компанией Exxon в ответ на нехватку энергии во время нефтяного кризиса 1970-х годов, не были перезаряжаемыми и использовали соединения лития, которые создавали токсичные побочные продукты в электролите, в отличие от более поздних литий-ионных батарей. Они продолжали работать в первом поколении цифровых часов, но ранние прототипы были бомбой замедленного действия.Газы из электролита могут накапливаться внутри батареи и загораться при контакте с воздухом.

В течение следующих 30 лет или около того прогресс в разработке литиевых батарей регулярно замедлялся из-за возгорания батарей и недовольных клиентов. Постоянные отзывы сделали литиевые батареи плохой репутацией, и скептики полагали, что они никогда не будут достаточно безопасными для массового рынка.

Обещание литиевых батарей изменить способ использования энергии обществом настолько велико, что вызвало золотую лихорадку среди ученых, инженеров, венчурных капиталистов и предпринимателей, стремящихся обуздать их непостоянство.

«Современное общество полностью зависит от ископаемого топлива, поэтому есть огромный стимул найти замену двигателю внутреннего сгорания», — говорит Джон Гуденаф, физик твердого тела из Техасского университета в Остине, которого многие считают специалистом по физике твердого тела. отец сегодняшних литий-ионных аккумуляторов. «Мы должны найти способ освободить общество от этой зависимости. Мы говорим о том, чтобы получить электроэнергию от солнца и ветра, а не от угля. Но это невозможно, если у вас нет хранилища.

Гуденафу приписывают три из четырех крупных достижений, которые привели к широкому успеху литий-ионных батарей. В конце 1970-х он разработал катоды, содержащие оксид лития-кобальта, которые до сих пор используются в большинстве персональных электронных устройств (K. Mizushima и др. Mater. Res. Bull. 15 , 783–789; 1980). Позже он и исследователь материалов для аккумуляторов Майкл Теккерей разработали катоды из оксида лития-марганца, которые используются сегодня в большинстве электромобилей, а также в некоторых медицинских устройствах (М.Теккерей и др. Матер. Res. Бык. 18 , 461–472; 1983). В 1990-х годах Гуденаф продолжил работу после выхода на пенсию и разработал еще более дешевый и стабильный катод из фосфата лития-железа, который теперь широко используется в электроинструментах.

Исследователь тестирует прототипы электродов в рамках усилий по поиску способов продлить срок службы аккумуляторов и ускорить их зарядку.
Предоставлено: Argonne Natl Lab.

Этот химический состав более безопасен, чем первое поколение литиевых батарей, поскольку электроды не содержат свободного лития.Вместо этого химическая решетка плотно связывает ионы лития со сложными кристаллическими структурами оксида металла на положительном катоде (где электроны и ионы лития перемещаются, когда батарея питает устройство). Ионы лития движутся непосредственно через электролит и не вступают в реакцию с другими элементами.

Что касается литиевых батарей, сегодняшние технологии все еще ограничены. Многие мобильные телефоны не могут прожить день без подзарядки. Большинство электромобилей могут проехать всего 160 километров или меньше, прежде чем их придется подключать к сети на несколько часов для подзарядки.Tesla Model S предлагает лучший на рынке запас хода более 300 километров, но по цене: от 71000 долларов США.

Ученые и инженеры, занимающиеся аккумуляторными батареями, в течение последних 25 лет каждый год производили аккумуляторы на 5–10% эффективнее, — говорит Джордж Крэбтри, ученый-материаловед из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. Но он обеспокоен тем, что этот прогресс может замедлиться. «Если не будет обнаружен новый оксид, мы находимся именно там», — говорит он. «Где вы собираетесь вытащить из шляпы следующего кролика, мы не уверены.Даже Гуденаф преуменьшает влияние, которое оказала технология. «У нас пока нет электромобилей», — говорит он. «Вы должны снизить стоимость, сделать их более безопасными и увеличить дальность пробега, чтобы не беспокоить людей о дальности полета».

Уловка для разработки аккумуляторов, которые служат дольше, быстрее заряжаются и дешевле, заключается в том, чтобы упаковать как можно больше ионов лития в каждый из электродов и заставить их как можно быстрее перемещаться между анодом и катодом. не позволяя им выйти из-под контроля.

Например, бывший партнер Гуденафа Теккерей, который сейчас работает над технологиями электрохимического накопления в Аргонне, разработал кристаллическую молекулярную структуру, известную как шпинель, для безопасной транспортировки ионов лития в катод при разряде батареи. Ионы могут проходить только через каналы в шпинели, что делает ее очень стабильной. Чем жестче ученые могут контролировать ионы лития в таких структурах, тем более стабильной становится батарея. Однако у этой технологии есть существенный недостаток: чем менее свободно могут перемещаться ионы лития, тем меньше энергии у батареи.И, как доказал переход от никель-кадмиевых батарей к литий-ионным, повышение мощности — лучший способ уменьшить размер, вес и стоимость.

Но это может быть не единственный выход. Пинг Лю, который руководит исследованиями передовых материалов для энергоэффективности и хранения в Агентстве перспективных исследовательских проектов — Энергетика (ARPA – E), входящем в состав Министерства энергетики США в Вашингтоне, округ Колумбия, говорит, что повышение безопасности и стабильности также может сделать батареи меньше и дешевле. Это потому, что такие достижения позволят инженерам отказаться от электронных контроллеров, брони, изоляторов ячеек и систем охлаждения, которые необходимы современным электромобилям для защиты аккумуляторов.

Положительные и отрицательные события

На сегодняшний день наиболее значительный прогресс произошел в катоде, положительном полюсе, который поглощает ионы лития, поскольку батарея обеспечивает его питание. Ученые работают над созданием более тонких слоев катодного материала с использованием наноматериалов, таких как углерод, с целью ускорения химического потока лития через батарею за счет сокращения расстояния, которое должны пройти ионы. Некоторые ученые работают с материалом толщиной с один атом.Но усилия на этом фронте все еще не принесли ожидаемых преимуществ. «Никому не удавалось сделать это хорошо», — говорит Крэбтри. «Сложно заставить слои выходить даже в таком маленьком масштабе».

Ожидается, что следующие прорывы произойдут на другом конце батареи, за счет более качественных анодов, говорит Крэбтри. Аноды накапливают ионы лития, когда батарея заряжена, и отправляют их на катод, когда батарея высвобождает энергию. Когда в начале 1990-х годов японский гигант электроники Sony представил угольные аноды для замены более проблемных литий-металлических анодов, батареи потеряли часть мощности.Теперь инженеры хотят вернуть его.

Одна большая проблема современных графитовых анодов и предшествующих им анодов из металлического лития заключается в том, что ионы лития, возвращающиеся к аноду при зарядке батареи, не покрывают поверхность равномерно. Вместо этого они растут, как ветви деревьев, в крошечные кристаллические структуры, называемые дендритами.

«Углерод может принимать литий только с заданной скоростью, — говорит материаловед Ниташ Балсара из Калифорнийского университета в Беркли. «Если вы попытаетесь отправить литий [через батарею] слишком быстро [во время зарядки], литий действительно не попадет в графит, он прилипнет снаружи.Это становится угрозой безопасности ». По словам Гуденаф, чем меньше размер батареи, тем легче дендритам прорастать через электролит и контактировать с противоположным полюсом, замыкая батарею.

Проницаемые мембраны, называемые сепараторами, используются для предотвращения контакта между электродами и, таким образом, предотвращения коротких замыканий, позволяя течь электролиту. Но дендриты могут отламываться и блокировать поры в сепараторах, сокращая срок службы батареи.

Аноды могут быть сделаны из кремния, который может удерживать в десять раз больше лития на грамм, чем графит, и, следовательно, генерировать больше энергии.Но у кремния есть своя проблема: он расширяется более чем в три раза по сравнению с нормальным размером, когда батарея заряжена, а анод заполнен ионами лития. Это набухание разрушает электрические связи в аноде и останавливает работу батареи. Он также может сломать соседние части батареи, такие как разделитель и даже корпус батареи, и, таким образом, вызвать возгорание.

И Цуй, ученый-материаловед из Стэнфордского университета, Калифорния, который разрабатывает литий-ионные батареи в течение 15 лет, является одним из ученых, работающих над материалами более тонких электродов.Он разрабатывает кремниевые нанопроволоки, которые выступают из анода, как волокна из ковра, и не разрывают электрические связи при набухании. Но он говорит, что до коммерциализации технологии еще пять лет. Он также экспериментирует со способами улучшения графитовых анодов, используя двумерный графен для более быстрого поглощения лития во время зарядки. Но он говорит, что и этой работе предстоит долгий путь.

Идеальным вариантом было бы вернуться к аноду из чистого литий-металлического сплава. «Забудьте о кремнии, если вы можете сразу перейти к металлическому литию, это конечная цель», — говорит Лю.

По сравнению с графитовыми анодами, литий-металлические аноды могут поглощать в десять раз больше ионов лития во время зарядки — и без проблемы с набуханием кремния. Такая батарея может достичь ключевого показателя производительности для использования в электромобилях: обеспечивать 300 ватт-часов энергии на килограмм, которая необходима для того, чтобы электромобиль мог пройти такое же расстояние на одной зарядке, что и автомобиль с бензиновым двигателем на одной зарядке. полный бак. Но эта веха потребует других достижений в области безопасности, таких как твердый электролит или лучшие сепараторы, чтобы обеспечить зарядку без роста дендритов.

«Я просто не рассматриваю металлический литий с жидким электролитом как коммерческую возможность», — говорит Балсара. «Для меня это похоже на TNT».

Твердые электролиты могут принести самый большой прорыв (см. Стр. S8). «Если бы вы могли избавиться от жидкого электролита, вы могли бы избавиться от всех горючих элементов», — говорит Лю. Это решит основную проблему безопасности литиевых батарей. По его словам, инженеры Лю даже проектируют батарею, настолько прочную и безопасную, что в конечном итоге она может стать частью кузова автомобиля и поглотить удар при столкновении.

«Я не думаю, что вы можете получить твердотельный аккумулятор с длительным сроком службы».

Литий-ионный используется в аккумуляторных батареях.
Предоставлено: Eye of Science / SPL

. Но твердые электролиты тоже приносят компромисс. «Они проводят электричество не так хорошо, как жидкие электролиты, поэтому время зарядки увеличивается, а мощность снижается», — говорит Балсара. И Гуденаф добавляет: «Я не думаю, что вы можете получить твердотельную батарею с длительным сроком службы».

Гуденаф стремится преодолеть зазор, создав частично твердый электролит с использованием твердого материала рядом с анодом и жидкости рядом с катодом.«Он даст те же преимущества, что и твердый электролит, с более длительным сроком службы, — говорит он, — потому что материал анода не разрушится». Он построил тестовую батарею в своей лаборатории, но говорит, что у него все еще есть проблемы с ростом дендритов.

Лю говорит, что наиболее многообещающие разработки исходят от ученых, работающих над керамическими электролитами. Он указывает на финансируемый ARPA-E проект в Университете Мэриленда, который продемонстрировал твердотельную батарею с твердым литиевым анодом, работающую с использованием керамического электролита.

«Твердые стеклянные и керамические электролиты имеют значительно более высокую проводимость, чем пластиковый полимер, — говорит Бальсара, — и проводимость достаточно высока, чтобы вам не пришлось жертвовать такой большой мощностью».

Среди других специалистов, работающих над новыми типами электролитов для литий-ионных аккумуляторов, — Йет-Мин Чан, ученый-материаловед из Массачусетского технологического института в Кембридже, который помог разработать литий-железо-фосфатную батарею. Этим летом он продемонстрировал новый тип проточной батареи, в которой используется полутвердый электролит, похожий на арахисовое масло.Он решает проблему того, как заставить ионы быстро проходить через твердый электролит, переворачивая конструкцию батареи с ног на голову, используя жидкие электроды, которые прокачиваются через полутвердый электролит. Он говорит, что это может значительно снизить стоимость производства литий-ионных батарей. Чан основал компанию под названием 24M, базирующуюся в Кембридже, штат Массачусетс, для коммерциализации изобретения, но это остается недоказанным.

По мере того, как нанотехнологии совершенствуют электроды и электролиты, поиск большей мощности возвращает ученых к завершению цикла, возвращаясь к батареям, в которых используется чистый литий, а не ионы лития.Литий-серные и литий-воздушные батареи не классифицируются как литий-ионные батареи, потому что литий реагирует в электролите с образованием других соединений, а не просто протекает через электролит и не реагирует с ним.

Литий-серные батареи, аналогичные батареям, с которыми Exxon экспериментировала в 1970-х годах, могут хранить до десяти раз больше энергии, чем литий-ионные батареи по весу. Проблема в том, что участвующие электрохимические реакции потребляют серу и создают другие вещества, разбавляющие электролит.Оба процесса преждевременно убивают батарею. «В идеале вам нужен электролит, который пропускает только литий», — говорит Балсара. «Все остальное — проблема».

Чтобы решить эту проблему, Куи, Крэбтри и другие разрабатывают наноматериалы для инкапсуляции серы. Цуй говорит, что его лаборатория продемонстрировала литий-серную батарею, способную выдержать от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. По его словам, этого может быть достаточно для мобильного телефона или ноутбука. Но его энергоемкость по-прежнему слишком мала, отмечает Цуй, и до коммерческого прототипа может потребоваться пять лет.

Литий-воздушные батареи могут оказаться лучшими литиевыми батареями с точки зрения мощности, веса и стоимости. С литий-металлическим анодом и газообразным кислородным катодом литий-воздушная батарея может хранить столько же энергии, как литий-серная батарея, при еще меньших затратах и ​​потенциально с меньшим весом.

Если материалы кажутся простыми, то аккумулятор — нет. Во-первых, слово «воздух» — неправильное употребление. Катод должен быть чистым кислородом, без влаги или углекислого газа, содержащихся в воздухе.По словам Крэбтри, системы очистки, откачки и хранения воздуха увеличивают вес и размер батареи на 30–70%. Хотя на бумаге литий-воздух может обеспечить в десять раз большую плотность энергии, чем литий-ионный, «он никогда не достигнет десятикратного коэффициента, который вы получите на обратной стороне конверта», — говорит он.

Кроме того, катод со временем окисляет любой органический электролит, сокращая срок службы батареи.

Хуже всего, потому что реакция превращает литий в непроводящий оксид дилития, аккумулятор трудно перезарядить.Цуй говорит, что исследователи продемонстрировали разумное количество зарядов и разрядов литий-воздушных испытательных батарей путем инкапсуляции оксида дилития на проводящей подложке, но по его оценкам, литий-воздушные батареи находятся по крайней мере через десять лет от коммерциализации.

Их разработка может показаться сложной, но лучшие литиевые батареи могут принести огромную отдачу. Помимо электромобилей, которые могут проехать 300 километров, они могут стать прорывом, который сделает повсеместным использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, и, наконец, сломает зависимость развитого мира от ископаемого топлива.

Информация об авторе

Принадлежность

  1. Эрик К. Эвартс — писатель-фрилансер из Риджфилда, Коннектикут.

    Эрик К. Эвартс

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Эвартс, E. Литиевые батареи: до пределов лития.
Природа 526, S93 – S95 (2015). https://doi.org/10.1038/526S93a

Ссылка для скачивания

Дополнительная литература

  • Прогресс исследований и перспективы применения твердотельных электролитов в коммерческих литий-ионных аккумуляторных батареях

    • Jing Chen
    • , Jiawei Wu
    • , Xiaodong Wang
    • , An’an Zhou
    • и Zhenglong Yang

    Материалы для хранения энергии
    (2021 год)

  • Высококачественные толстые катоды благодаря градиентной пористости

    • Кайфан Сонг
    • , Чи Чжан
    • , Наифанг Ху
    • , Сянкунь Ву
    • и Лань Чжан

    Electrochimica Acta
    (2021 год)

  • Cu (NO3) 2 как эффективная добавка к электролиту для металлических литиевых аккумуляторов класса 4 В со сверхвысокой стабильностью

    • Ruxin Zhao
    • , Xiang Li
    • , Yubing Si
    • , Shuai Tang
    • , Wei Guo
    • и Yongzhu Fu

    Материалы для хранения энергии
    (2021 год)

  • Характеристики выщелачивания Al-содержащего отработанного катодного порошка LiFePO4 в водном растворе h3SO4

    • Вэнь-бо ЛОУ
    • , Ян Чжан
    • , Ин Чжан
    • , Ши-ли Чжэн
    • , Пей САН
    • , Сяо-цзянь ВАН
    • , Цзянь-чжун Ли
    • , Шань Циао
    • , И ЧЖАН
    • , Марко ВЕНЦЕЛЬ
    • и Ян Дж.ВЕС

    Сделки Общества цветных металлов Китая
    (2021 год)

  • Слой кисти из полимера на высокомолекулярном уровне, позволяющий настраивать геометрические параметры отложений лития

    • Мин Чжан
    • , Хелин Ван
    • , Бо Пэн
    • , Дунхао Ма
    • , Мяо Бай
    • , Сяоюй Тан
    • , Шаовэнь Ли
    • , Вэнью Чжао
    • , Сиюань Лю
    • o

    • , Чжиця
    • , Кефан Чжоу
    • , Чанчунь Сан
    • и Юэ Ма

    Cell Reports Physical Science
    (2021 год)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и принципы сообщества.Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Литий-ионные батареи

| PhysicsCentral

Доставка заряда

Литий-ионные аккумуляторы

уже питают ваш мобильный телефон и ноутбук, и вскоре они могут питать ваш автомобиль. Но что это за батареи и что делает их намного лучше обычных щелочных батарей?

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понимать, как работают батареи.Батарея — это устройство, которое накапливает электрическую энергию и затем может доставлять эту энергию с помощью легко контролируемой электрохимической реакции.

Схема литий-ионного элемента. Перепечатано с любезного разрешения HowStuffWorks.com

Батарея обычно состоит из ряда ячеек, вырабатывающих электричество. Каждая ячейка состоит из трех основных компонентов: анода, катода и электролита. Когда анод и катод соединены электрическим проводником, таким как провод, электроны текут от анода через провод к катоду, создавая электрический ток, в то время как электролит проводит положительный ток в виде положительных ионов или катионов.Материалы, используемые для каждого из этих компонентов, определяют характеристики батареи, включая ее емкость — или общее количество энергии, которое она может доставить — и ее напряжение — или количество энергии на электрон. Представьте, что батарея похожа на резервуар с водой, которую сливают из шланга. Объем бака — это емкость аккумулятора, а давление в шланге — это его напряжение.

Литий-ионный аккумулятор от мобильного телефона.

Материалы анода и катода выбираются таким образом, чтобы анод отдавал электроны, а катод принимал их.Тенденция материала отдавать или принимать электроны обычно выражается как стандартный электродный потенциал объекта. Разница между электродными потенциалами катода и анода определяет напряжение всей ячейки. Анод и катод разделены электролитом, который представляет собой жидкость или гель, проводящий электричество. Когда анод и катод затем соединяются друг с другом с помощью провода, анод вступает в химическую реакцию с электролитом, в которой он теряет электроны, создавая катионы или положительные ионы — процесс, называемый окислением.Электроны и катионы встречаются на катоде, где они подвергаются химической реакции, называемой восстановлением. Вместе весь процесс известен как окислительно-восстановительная или окислительно-восстановительная реакция. Электроны перемещаются по проволоке от анода к катоду, потому что они имеют более высокую энергию на аноде, чем на катоде. Когда электроны проходят через такое устройство, как электрическая лампочка, энергия батареи используется для работы. Химические реакции в батарее могут длиться некоторое время, но не вечно. В конце концов они истощают или разъедают анод и катод, оставляя недостаточно материала для поддержания реакции.

Литий-кобальтовый оксид состоит из слоев лития (показаны здесь как пурпурные сферы), которые лежат между пластинами, образованными атомами кобальта и кислорода (показаны здесь как соединенные красные и синие сферы).

В литий-ионной батарее ион лития — это катион, который перемещается от анода к катоду. Литий (Li) легко ионизируется с образованием Li + плюс один электрон. Электролит обычно представляет собой комбинацию солей лития, таких как LiPF 6 , LiBF 4 или LiClO 4 , в органическом растворителе, таком как эфир.Графит (углерод) чаще всего используется в качестве анода, а оксид лития-кобальта (LiCoO 2 ) является наиболее распространенным катодным материалом. Эта комбинация дает общее напряжение 3,6 В (В), что более чем в два раза больше, чем у стандартной щелочной батареи AA. Это дает литий-ионным батареям намного лучшее соотношение энергии к объему или удельной энергии, чем у обычных щелочных батарей или других обычных перезаряжаемых батарей, таких как никель-металлгидридные. Отчасти это связано с тем, что литий является третьим по величине элементом после водорода и гелия, и, таким образом, ион лития может нести положительный заряд в очень небольшом пространстве.Однако важно помнить, что даже литий-ионные батареи во много раз менее энергоемкие, чем такие вещества, как моторное топливо или продукты питания, которые хранят энергию в химических связях. Увеличение количества энергии, которое может быть упаковано в батарею заданного объема, является одной из основных проблем, стоящих сегодня перед производителями батарей.

Литий-ионные батареи

, в отличие от стандартных щелочных батарей AA и AAA, можно заряжать, выполняя анодную и катодную реакции в обратном порядке. Обычно это делается с помощью зарядного устройства, которое подключается к мощному источнику электроэнергии, например к сетевой розетке или автомобильному прикуривателю.Возможность многократной перезарядки без большой потери емкости — еще одно важное преимущество литий-ионного аккумулятора. Представьте, если бы вам приходилось покупать новую батарею для мобильного телефона каждые несколько дней!

Зарядка и разрядка. Перепечатано с разрешения рисунка 2 из: «Батареи и электрохимические конденсаторы» Абруна, Кия и Хендерсон, Physics Today, декабрь 2008 г. Авторское право 2008 г., Американский институт физики.

Несмотря на все эти преимущества, литий-ионные аккумуляторы не идеальны.Возможно, вы заметили, что количество заряда, которое может выдержать аккумулятор вашего мобильного телефона и ноутбука, уменьшается через несколько лет. Литий-ионные батареи со временем развивают повышенное внутреннее сопротивление, что снижает их способность передавать ток. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы уязвимы для ряда потенциальных проблем, включая перегрев на аноде (возможно, из-за тепла от устройства, которое питает аккумулятор) и выработка кислорода из-за перезарядки на катоде. Сложите эти две проблемы вместе, и вы получите хорошие условия для пожара — именно то, что случилось с несколькими незадачливыми владельцами ноутбуков.

Изображение внутренней части литий-ионной аккумуляторной батареи с защитными устройствами. Любезно предоставлено ZDNet UK.

Сегодня литий-ионные батареи производятся с защитой для ограничения зарядного напряжения и отключения батареи, если температура становится слишком высокой. Другие меры предосторожности позволяют удалить воздух в случае повышения давления и предотвратить слишком глубокую разрядку, после которой аккумулятор не может быть перезаряжен. Эта защитная схема делает батарею безопасной, но она также уменьшает долю батареи, которая используется для хранения энергии, а также медленно разряжает батарею, даже когда устройство выключено.Ряд исследовательских групп занимаются улучшением этих и других аспектов литий-ионной батареи, и в будущем эта трудолюбивая батарея будет появляться во все большем количестве устройств, включая электромобили, о которых мы так много слышим. В эти дни.

Исследования

Большая часть недавних усилий по усовершенствованию литий-ионных аккумуляторов была сосредоточена на разработке анодных или катодных материалов, которые могут удерживать больше заряда в заданном объеме, что приводит к более высокой плотности энергии. Многочисленные исследовательские группы сосредотачиваются на замене графитового анода кремнием, который потенциально может хранить до десяти раз больше текущей емкости.Обратной стороной является то, что кремниевые пленки имеют тенденцию расширяться при поглощении ионов лития во время зарядки и снова сжиматься при высвобождении ионов лития во время разряда, что приводит к измельчению и разрушению анода и короткому сроку службы батареи. Недавно группа под руководством И Цуй из Стэнфордского университета использовала кремниевые нанопроволоки для создания анода, который не имеет этого недостатка. На рисунке 3 представлены изображения этих нанопроволок с ионами лития и без них, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).

Рис. 3. Морфология и электронные изменения Si ННК в результате реакции с Li. Из «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Чан и др. Nature Nanotechnolog, 3, 31 — 35 (2008).

Другая идея, привлекшая значительное внимание, — использование фосфата лития-железа (LiFePO 4 ) в качестве катода. Хотя он имеет немного меньшую емкость и значительно более низкую проводимость по сравнению с оксидом лития-кобальта, фосфат железа дешевле и менее химически активен.Тем не менее-Мин Чан и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) работают над тем, чтобы это изменить. В 2002 году они показали, что путем «легирования» (добавления примесей) фосфата железа они могут достичь гораздо более высокой проводимости, чем считалось возможным ранее. А в 2004 году команда Чанга смогла использовать очень маленькие (менее 100 нанометров) частицы фосфата железа для улучшения емкости и проводимости катода.

Шарообразная модель фосфата лития-железа, в которой атомы лития — синие, атомы железа — серые, атомы фосфора — желтые, а атомы кислорода — красные.Из «Электропроводящие фосфооливины в качестве электродов-аккумуляторов лития». S Cung, J. Bloking и Y. Chiang. Nature Material, том 1, октябрь 2002 г.

Chiang также принимал участие в исследованиях передовых технологий сборки. Группа исследователей недавно использовала вирусы для сборки катодов литий-ионных аккумуляторов из очень тонких проводов из золота и оксида кобальта. Вирусы и другие биологические системы способны распознавать молекулы и собираться в организованные структуры, что делает их идеальными для инженерии микроскопических батарей.Как и в случае кремниевых анодов, описанных выше, эти новые катоды используют большую площадь поверхности нанопроволок, что обеспечивает большую емкость для заряженных частиц.

Изображение с помощью туннельного электронного микроскопа (ПЭМ) нанопроволок Co3O4, созданных на основе вирусов. «Синтез и сборка нанопроволок для электродов литий-ионных батарей с использованием вирусов». Нам и др., Science, 12 мая 2006 г., том 312, стр. 886.

Другие исследовательские группы занимаются новыми электролитическими материалами. Как упоминалось ранее, современные литий-ионные батареи со временем теряют емкость, в основном из-за химических реакций между электролитами и электродами.Мохит Сингх из начинающей компании SEEO разрабатывает новый электролит на основе полимеров, которые представляют собой молекулы, состоящие из длинных цепочек повторяющихся структурных единиц. Сингх объединил структурно стабильный полимер с полимером, который хорошо проводит ионы, чтобы создать слой электролита, который является более тонким и менее химически активным, чем те, которые используются сегодня. Хироюки Нисиде из Университета Васэда в Токио разрабатывает полностью органическую гибкую батарею с электродами, состоящими из цепочек органических молекул, а не металлов.Это могло бы избежать проблем, связанных с некоторыми металлами, включая ограниченную доступность и удаление отходов. По сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями, Nishide предлагает возможность более быстрой зарядки и разрядки и более длительного срока службы в обмен на, по крайней мере, на данный момент, более низкую плотность заряда.

Фотография гибкого полимерного аккумулятора Nishide. От Такео Суги, Хироки Охширо, Шухей Сугиты, Кеничи Ояйдзу и Хироюки Нисиде, адв. Матер. в печати (adma200803073).

Схема, показывающая реакции зарядки и разрядки.