Как современные аккумуляторы превратят электромобиль в коммерческий проект. Современные аккумуляторы


Правда и мифы о современных аккумуляторах | MapiTom.ru

Современные аккумуляторные батареи уже давно лишены многих недостатков, которые были присуще им в недалеком прошлом, однако, информация о них стойко закрепилась в сознании пользователей и на сегодняшний день уже не актуальна. Давайте посмотрим, какие из ранее присущих недостатков уже не относится к современным батареям, которые установлены в наших смартфонах, ноутбуках и других гаджетах, которыми мы активно пользуемся ежедневно.

Современные литий-ионные аккумуляторы

Итак, миф первый – длительная зарядка аккумулятора может привести к сокращению срока его службы

Действительно, раньше эта проблема имела место быть, однако все современные аккумуляторные батареи снабжены специальной системой защиты. Контроллер батареи следит за состоянием заряда и защищает аккумулятор, отключая ток по достижению полного заряда. Тем или иным способом сообщит и устройство, или звуковым сигналом или изменением цвета индикатора заряда.

Современные литий-ионные аккумуляторы

Миф второй. Новый аккумулятор перед использованием необходимо обязательно полностью зарядить

Многие, при приобретении нового устройства стараются полностью зарядить аккумулятор перед его использованием. Считается, что таким образом происходит калибровка батареи и в дальнейшем в процессе работы система будет более точно рассчитывать состоянии батареи и уровень энергии. На сегодняшний день это также уже неактуальная информация, практически все устройства поступают в продажу с откалиброванными аккумуляторными батареями, которые готовы к работе и не требуют никаких дополнительных манипуляций.

Современные литий-ионные аккумуляторы

Миф третий. Пользоваться неоригинальными зарядными устройствами вредно для аккумулятора.

Эта информация не совсем верна. Если зарядное устройство полностью соответствует техническим характеристикам, которые заявлены в документации к устройству, то никакого вредя для батареи гаджета не будет. Исключением можно считать только дешевые китайские подделки, которые могут великолепно копировать внешний вид оригинальной зарядки, но при этом не обладать нужными пропускными характеристиками.

Миф четвертый. Срок службы аккумулятора зависит от количества циклов заряда-разряда

Это действительно, правда, но не вся. Не стоит забывать и о том, что любая литий-ионная батарея с течением времени теряет свою емкость. Таким образом, даже если вы не пользуетесь устройством, и ваш аккумулятор не проходит циклы заряд-разряд, он теряет свои характеристики и длительность работы. Как говорят специалисты, в первый год работы, аккумулятор теряет примерно около 10% своей емкости, на второй год этот показатель уже может составить 20-30 процентов, что будет зависеть от качества аккумулятора и условий его использования и хранения. Поэтому даже если вы приобрели новое устройство, а аккумулятор в нем был установлен с датой выпуска, например, около года назад, то вы сразу получаете менее емкую батарею, еще не начав ею пользоваться.

И, наконец, миф пятый. Большинство считает, что аккумулятор нужно стараться держать в состоянии максимального заряда.

Современные литий-ионные аккумуляторы

Раньше, когда еще не существовало литий-ионных аккумуляторов, старые батареи имели так называемый «эффект памяти». Что при этом происходило? Если, например не полностью разряженный аккумулятор, а скажем, в состоянии заряда 20% начинали заряжать, то он «запоминал» этот уровень как состояние полного разряда, в результате чего, емкость такой батареи снижалась до 80%. Современные аккумуляторы не имеют такой проблемы и их можно заряжать в любом состоянии. Однако специалисты рекомендуют не доводить аккумулятор до полного разряда, а стараться поддерживать уровень не ниже 10-20%. Если постоянно полностью «осушать» батарею до нуля, то срок службы такого аккумулятора значительно уменьшается.

Читайте также: Создан аккумулятор, который заряжается за 10 минут

  • Facebook
  • Twitter
  • Мой мир
  • Вконтакте
  • Одноклассники
  • Google+

mapitom.ru

Устройство современных аккумуляторов. Новые технологии в аккумулировании энергии.

Сегодня, когда развитие альтернативной энергетики становится все более активным, а также все больше энергии требуется для мобильных потребителей – крайне актуальным является вопрос аккумулирования электроэнергии. Критическая необходимость в новых технологиях накопления энергии подробно рассматривается, например, в статье «Перспективы солнечной энергетики». Давайте рассмотрим новые направления в области аккумулирования энергии.AmbriНовые технологии в аккумулировании электроэнергии Ambri – одна из самых известных новинок в области аккумулирования энергии. Ранее этот аккумуляторный стартап назывался Liquid Battery Metal. Компанию-разработчика основал профессор Don Sadoway (Массачусетский технологический институт). Этот проект получал инвестиции от таких филантропов как Винод Хосл и Билл Гейтс. Технология Ambri основана на использовании расплава солей, который размещается между двумя слоями жидкого металла. Батареи выполнены в виде модульной системы, ячейки которой размещены в контейнере длиной чуть больше 12 метров. Максимальная мощность, выдаваемая этим аккумулятором, составляет 500 кВт, а емкость аккумулятора - 2 МВт. Для увеличения мощности/емкости можно включать несколько систем совместно. Планируемая дата промышленной реализации - 2й квартал 2014 года.Imprint EnergyНовые технологии в аккумулировании электроэнергииИспользовав цинк вместо лития и применив технологию трафаретной печати, компания Imprint Energy предложила ультратонкую батарею, при этом еще и гибкую. Батарея имеет относительно высокую емкость при достаточно низкой стоимости производства.Благодаря малой толщине и гибкости батарей, компания-разработчик надеется заинтересовать своей технологией производителей мобильных устройств. При этом уже осуществляются поставки батарей первым клиентам, а дальше планируется значительное увеличение производства. Alveo energyНовые технологии в аккумулировании электроэнергииПол года назад компания Alveo energy предложила разработку и коммерциализацию батарей сделанных из обычной воды и берлинской глазури, краски, которая используется для окрашивания одежды (например, джинсов). Предложенные аккумуляторы имеют очень низкую стоимость, однако при этом служат длительное время. Исследователи, которые предложили данную технологию (студент Стэнфордского университета Колин Вессел и профессор Роберт Хаггинс), получили грант на 4 млн. долларов от Департамента энергетики США.PellionНовые технологии в аккумулировании электроэнергииКомпания Pellion сконцентрировала усилия на поиске идеального химического состава для аккумулятора. Используя самые современные алгоритмы и компьютерные модели, разработчики протестировали более 10.000 потенциальных катодных материалов, подбирая наиболее подходящий вариант для магниевых анодов своих батарей. Gerbrand Ceder (профессор Массачусетского технологического института и сооснователь Pellion), принимал участие в проекте по разработке материалов генома в родном институте, программа которого, основана на использовании компьютерного и виртуального моделирования. Промышленная реализация этих аккумуляторов также осуществляется при поддержке Департамента энергетики США, а также Khosla Ventures.QuantumScapeНовые технологии в аккумулировании электроэнергииQuantumScape — молодой стартап, разработанный в Кремниевой долине. При разработке этих аккумуляторов используются материалы исследований Стэндфордского университета. Это принципиально новый тип батарей, которые используют энергию движущихся электронов, а не ионов. Планируется широкое применение подобных аккумуляторов в электромобилях и системах автономного энергоснабжения.Envia SystemsНовые технологии в аккумулировании электроэнергииВ феврале 2012 г. американской компанией Envia Systems была представлена батарея с повышенной энергетической емкостью - до 400 ватт-часов на килограмм. Используя такой аккумулятор, электромобиль может проехать в среднем около 500 км. Цена такого аккумулятора будет составлять от $ 25000 до $ 30000. Разработчиков поддерживают: General Motors, Pangaea Ventures, Redpoint Ventures, японский гигант Asahi Kasei, и Министерство энергетики США.Sila NanotechnologiesНовые технологии в аккумулировании электроэнергииВ 2011 году была основана компания Sila Nanotechnologies. Ее специалисты разрабатывают легкий и максимально компактный литий-ионный аккумулятор, имеющий емкость, превышающую емкость сегодняшних литий-ионных батарей как минимум в два раза. Sila Nanotechnologies получила грант на $ 1,73 млн. Данные аккумуляторы ориентируют на использование в переносных устройствах, однако не исключена разработка подобных батарей для электромобилей.Boulder IonicsНовые технологии в аккумулировании электроэнергииКомпания разрабатывает электролиты из ионных жидкостей со специальными свойствами. Аккумуляторы, изготовленные с использованием разработок Boulder Ionics, могут функционировать при более высоких температурах и напряжениях, обладая при этом более низкой стоимости.Prieto BatteryНовые технологии в аккумулировании электроэнергииГлавным разработчиком Prieto Battery является профессор химии Эми Прието. Компания планирует выпуск литий-ионного аккумулятора, который можно зарядить за пять минут! При этом время разрядки – в пять раз дольше, чем у стандартных на сегодня литий-ионных батарей. Для достижения таких показателей используются нанотехнологии – крошечные медные нанопроволоки, из которых изготавливают анод батарею. Электролит же сделан в виде твердого полимера.Sakti3Новые технологии в аккумулировании электроэнергииSakti3 – детище компании из Мичигана, которая разрабатывает инновационный литий-ионный аккумулятор. Электролит такого аккумулятора находится в полностью твердом состоянии, и имеет высокую плотность энергии. Использование твердых полимеров подразумевает отсутствие легковоспламеняющихся жидкостей в конструкции аккумулятора. А это гораздо безопаснее для электрических автомобилей. Компанию поддерживают: GM Ventures, Khosla Ventures и Itochu.XilectricВ основе работы аккумуляторов Xilectric лежит принцип «Батареи Эдисона» (которая традиционно изготавливается из никеля и железа). Но при изготовлении Xilectric используется магний и алюминий. Аккумулятор Xilectric способен заряжаться и разряжаться почти в 1000 раз эффективней. Прототип сверхбыстрого аккумулятора заряжается за 2 минуты! Однако емкость прототипа пока слишком мала для использования в качестве автономного источника энергии. Но такие батареи уже сейчас можно использовать в качестве «помощи» литий-ионным аккумуляторам, давая им реальный прирост мощности в моменты быстрого ускорения и торможения. Кроме того, такие аккумуляторы, используя в своей конструкции дешевые и безопасные материалы, привлекательны для электрохимического хранения энергии. AmpriusНовые технологии в аккумулировании электроэнергииИсследователь Yi Cui из Стэнфорда предложил использовать для литий-ионной батареи Amprius наноструктурированный кремний в качестве анода. Наноструктурированный кремний позволяет уменьшить размеры анода в четыре раза, при четырехкратном увеличении емкости. Компания уже получила 25 миллионов долларов от инвесторов.

alternativenergy.ru

Как современные аккумуляторы превратят электромобиль в коммерческий проект | Мнения

Основная научная идея для создания современных литий-ионных аккумуляторов вошла в оборот в 1980 году, когда Джон Гуденаф со своей командой опубликовал статью в журнале Materials Research Bulletin. В ней он показал, что в качестве катодного материала, одного из важных компонентов для литий-ионных аккумуляторов, может использоваться сложный оксид лития/кобальта LiCoO2. Использование такого материала для создания литий-ионных аккумуляторов позволило запасать намного больше энергии на единицу массы, чем в других известных к тому времени аккумуляторах (например, запас энергии на единицу массы широко известных свинец-кислотных аккумуляторов в 4-5 раз меньше, чем для литий-ионных систем).

В 1991 году компания Sony выпустила первый аккумулятор на основе материала, предложенного Джоном Гуденафом, и за последние двадцать лет произошел стремительный рост в тех отраслях, где используются литий-ионные аккумуляторы. В основном это касалось устройств портативной электроники — лэптопов, разнообразных смартфонов и телефонов. Этот сегмент рынка показывал устойчивый рост, но производство не могло двинуться в области, где требуются аккумуляторы для питания электромобилей, кораблей, подводных лодок, потому что материалы, на основе которых делались первые типы аккумуляторов, обладали невысокой устойчивостью.

Позднее, в 1997 году, команда Джона Гуденафа открыла новое соединение, которое могло бы применяться в литий-ионных аккумуляторах в качестве катодного материала. Это материал на основе литий-железо-фосфата, LiFePO4, который, в отличие от LiCoO2, не содержит ядовитых элементов и является безопасным. Однако он обладает очень низкой электронной проводимостью, что неприемлемо для электродного материала, да и ионы лития двигаются в нем не слишком быстро. Поэтому многие считали, что данный материал не представляет никакого коммерческого интереса.

Следующим шагом стало появление в 2005-2006 годах работ ученых из Массачусетского технологического института. Йет-Минг Чианг и его коллеги показали, что если немного видоизменить состав этого материала, перевести его в наноразмерное состояние и покрыть частички тонким слоем углеродсодержащего материала, то материал демонстрирует великолепные характеристики для работы в литий-ионных аккумуляторах и становится пригодным для широкого коммерческого использования.

Внедрение электромобилей, помимо решения экологических проблем, позволит принципиально повысить эффективность использования энергии.

Для сравнения: эффективность современных турбодизелей составляет около 40%, а общая эффективность передачи энергии от топливного бака к колесам — всего около 20%. Эффективность мотора электромобиля превышает 90%, а отсутствие необходимости в сложной трансмиссии делает и общую эффективность передачи энергии от аккумуляторных батарей к колесу близкой к 90%. Энергоэффективность электромобилей связана и с их экономической привлекательностью при эксплуатации.

Один из коммерчески доступных сейчас электромобилей на литиевых аккумуляторах Nissan Leaf по цене на милю пробега обходится в три раза дешевле современных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (учитывая только стоимость бензина или электрической энергии). Nissan Leaf с 2010 года продается в США и с 2011 года — в Европе. Его аккумулятор весит 300 кг, энергозапас 24 киловатт-часа, мощность — 120 л. с., средний пробег на полной зарядке аккумулятора — 150 км, скорость — до 150 км/ч. От обычной розетки он заряжается 7 часов, от специальной станции — 30 минут. Он оснащен аккумуляторной батареей массой 300 кг, где в качестве катода используется LiMn2O4 (удельная энергия составляет 80 ватт-часов на килограмм). Если сейчас на смену этим аккумуляторам придут новые, с 200 ватт-часами на килограмм, то пробег для подобного электромобиля увеличится со 150 км до 400 км.

В настоящее время лидером среди электромобилей является Tesla, в котором используются катодные материалы другого типа на основе сложного оксида лития, никеля, кобальта и алюминия. Этот материал обладает большей удельной энергией в сравнении с LiMn2O4, что позволяет при увеличенной массе аккумуляторной батареи с энергозапасом 85 киловатт-часов обеспечить пробег электромобиля более 400 км. Интересно отметить, что этот электромобиль, по данным Consumer Reports, получил наивысший рейтинг среди авто/электромобилей в 2013 году.

Сейчас планы большей части автомобильных компаний таковы, что за гибридами первого и второго поколений они планируют в ближайшее время вывести на рынок полноценные электромобили. Кроме того, сейчас ученые активно работают над созданием материалов, которые обеспечат лучшие удельные энергетические характеристики аккумуляторов нового поколения. Они смогут использоваться не только в электротранспорте, но и в крупных стационарных накопителях, например резервных источниках питания.

www.forbes.ru

Виды современных аккумуляторов

Поиск Лекций

Как устроен автомобильный аккумулятор.

Функционирование автомобильной АКБ базируется на принципе превращения энергии. Его суть очень проста – во время заряда аккумулятора электрическая энергия превращается в химическую, а в процессе разряда можно наблюдать противоположный процесс.

Автомобильный аккумулятор – небольшая емкость с электролитом, содержащим серную кислоту, в которую опущены металлические пластины.

Принцип работы аккумуляторных батарей основывается на химических реакциях между свинцом и диоксидом свинца в сернокислотной среде, в результате которых вырабатывается электричество.

Во время разряжения аккумуляторной батареи (в моменты расхода энергии) происходят реакции восстановления диоксида свинца на катодной пластине и окисление свинца на анодной пластине. При обратной реакции, а именно при зарядке аккумулятора, на его пластинах происходят зеркально обратные реакции, к которым на завершающей стадии присоединяется еще электролитическая реакция воды (электролиз), которая в свою очередь сопровождается значительным выделением кислорода на аноде и водорода — на катоде.

 

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

Уравнение химической реакции.

При разряде аккумулятора расходуется серная кислота с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при заряде, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет).

 

Уравнение, приведенное выше описывает основную реакцию, а она, увы, не протекает на 100%. При обратной реакции, т.е. при заряде, происходят некоторые необратимые процессы, которые снижают срок службы аккумулятора. Следует выделить три основных «побочных эффекта», которые с течением времени выводят батарею из строя:

сульфатация пластин - образование крупных кристаллов сульфата свинца. При глубоком разряде или несвоевременном заряде образуются большие и труднорастворимые кристаллы сульфата свинца, которые не возращаются в исходное состояние (свинец на аноде и диоксид свинца на катоде) образуя диэлектрический слой на поверхности пластин. Это снижает кол-во активной массы электродов и закупоривает оставшуюся, что препятствует протеканию электрохимических реакций. Собственно, поэтому глубоко разрядившийся аккумулятор не может зарядиться до прежнего уровня.

Коррозия пластин - окисление токоотводов. Токоотводы обычно представляют собой свинцовые решетки, на которые нанесено активное вещество. Решетки служат для удержания активных веществ и подвода к ним электрического тока. С течением времени свинец решеток реагирует с водой, содержащейся в электролите, и окисляется, образуя окись свинца. Коррозия увеличивает внутреннее сопротивление токоотводов и их прочность, что приводит к уменьшению емкости и постепенному разрушению аккумулятора.

Выкипание воды - чрезмерное выделение при заряде из воды водорода и кислорода. Активное газовыделение происходит в основном при заряде, а также при разряде или длительном бездействии аккумуляторной батареи. Этот процесс называется электролиз воды, и он должен происходить, ведь вода в последствии восстанавливается из газа. Однако, есть подвох - в состав свинцовых пластин добавляют сурьму и другие примеси для увеличения механической прочности пластин. Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода, и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к избыточному росту выделения водорода. Это приводит к избыточному испарению воды.

Собственно, все усовершенствования конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов, которые происходят с течением времени, направлены на устранение, прежде всего, данных проблем. Так, во второй половине XX века, сначала в военной промышленности, а потом и в гражданской, стали появляться, так называемые гелевые GEL и чуть позже AGM аккумуляторы. Часто приходится слышать “гелиевый”. Это ошибочное определение, так как ничего общего гелий с данной технологией не имеет. Гелевый, от слова гель, подразумевает, что электролит данного АКБ находится в желеобразном состоянии. Также часто приходиться слышать или видеть, когда аккумуляторы AGM обозначаются “гелевыми”. Это тоже неверно. Далее мы разберемся с их конструктивными особенностями, плюсами и минусами.

Основные функции АКБ.

Автомобильный аккумулятор выполняет три функции. Основанная функция АКБ – это запуск двигателя. Также, батарея питает бортовые электрические устройства – при неработающем двигателе. Вторая важная функция – возможность аварийного питания, источником которого аккумулятор выступает в случае поломки генератора. Третья функция – это достижение баланса напряжения, которое поступает от генератора. Эта функция характерна для инжекторных двигателей.

Устройство аккумулятора автомобиля существенно не меняется уже много десятилетий. Хотя развитие технологий и появление новых материалов более высокого качества способствует более надежной конструкции и работе АКБ.

Основу работы аккумулятора составляет принцип возникновения разности потенциалов – то есть, напряжения. Оно возникает между пластинами, которые погружены в раствор электролита.

АКБ – устройство, которое, в зависимости от типа и производителя, имеет определенные конструктивно-технологические различия. Но общий принцип – одинаков: все аккумуляторные батареи содержат электроды, разделенные сепараторами, и помещенные в пространство, заполненное электролитом.

Корпус

Корпус аккумулятора состоит из двух частей: основной глубокой емкости и закрывающей крышки. Она может быть оснащена горловинами с пробками или системой, при помощи которой стабилизируется давление внутри батареи, и отводится образующийся газ. Конструкция корпуса зависит от типа АКБ.

Сам корпус изготовлен из материала, к которому предъявляются большие требования прочности и безопасности. Он должен быть устойчив к воздействию агрессивных химических реагентов, переносить колебания температуры и сильную вибрацию. В большинстве современных аккумуляторов корпус сделан из полипропилена.

Внутренние отсеки

Стандартное устройство аккумуляторной батареи представляет собой контейнер, состоящий из шести секций (или, как их называют, «банок»). Каждая секция – это отдельный источник питания. Она вырабатывает порядка 2 – 2,1 В. Стандартная АКБ рассчитана на 12 В.

В каждой из ячеек находится набор (или пакет) из отдельных пластин с чередующейся полярностью. То есть, одна пластина положительная, другая отрицательная. Причем, пластины отделены друг от друга. Пластины сделаны из свинца и имеют решетчатую структуру в виде прямоугольных сот. Это облегчает нанесение них активной массы – основного рабочего реагента.

Пластины

Для увеличения прочности пластин в них добавляют сурьму. У этой технологии есть и свои недостатки: присутствие сурьмы способствует выкипанию воды из электролита. Это – основная причина, по которой практически во все типы АКБ необходимо доливать воду. Но технологии не стоят на месте. Устройство автомобильных аккумуляторов совершенствуется. Количество сурьмы в свинцовых пластинах значительно уменьшилось, благодаря чему появились малообслуживаемые и гибридные аккумуляторы.

На положительный электрод наносится двуокись свинца, на отрицательный – губчатый свинец. Внутрь заливается электролит, который является водным раствором серной кислоты.

Каждая чередующаяся пластина является электродом, имеющим противоположную полярность. Таким образом, с целью предотвращения замыкания, между каждой парой пластин располагается сепаратор. Он изготовлен из пористого пластика и не создает препятствий для циркуляции электролита внутри ячейки.

Пластин с отрицательной полярностью больше на 1 единицу, так как каждая пластина с положительным зарядом помещена между двумя отрицательными (минусовыми).

Пакет с пластинами надежно фиксируется, чтобы предотвратить смещение и деформацию. Фиксация осуществляется при помощи специального бандажа. Токовыводы пластин (плюсовые и минусовые) объединены в пары. Концентрация энергии происходит при помощи токосборников – на выводные борны аккумулятора. К ним токоприемные клеммы.

Устройство АКБ обеспечивает максимальную надежность. Современные аккумуляторы – это качественные устройства, выступающие источниками питания даже для самых мощных автомобилей.

Виды современных аккумуляторов

Современные АКБ подразделяются на два основных вида: классические и необслуживаемые. Классические существуют уже больше ста лет и описаны выше. Необслуживаемые аккумуляторные батареи были созданы всего несколько десятилетий назад. Они эффективно работают в любом, даже перевернутом, положении. Вместо жидкого электролита в них применяется гелиевый, или адсорбированный сепараторами. Устройство автомобильного аккумулятора, который является необслуживаемым, подразумевает максимальную герметичность. Для отвода газов, которые выделяются при заряде и разряде, предусмотрен специальный клапан.

Главное различие необслуживаемых АКБ от классических – в более низких разрядных и зарядных токах. Причина – в конструкции необслуживаемых батарей. При больших токах классическая АКБ активно выделяет газ и «закипает». У необслуживаемых и герметизированных батарей этого нет.

poisk-ru.ru


Смотрите также