Новые «литий-воздушные аккумуляторы» могут быть в 10 раз мощнее и в 5 раз дешевле. Автомобильные литиевые аккумуляторы


Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) | Экологические автомобили

Попытки создания химического источника тока с применением лития начались еще в начале прошлого столетия. Выбор этого щелочного металла не случаен — он химически очень активен. Однако его высокая реакционная способность имеет и обратную сторону. В 70-80-е годы литий-ионные аккумуляторы являлись достаточно опасными изделиями. Бурная реакция лития с электролитом очень часто приводила к взрыву аккумулятора, а из-за взаимодействия дендритов лития с электродом противоположного знака случались короткие замыкания и быстрый нагрев батареи.

Первый литий-ионный аккумулятор

Прогресс электронной промышленности вызвал потребность в энергоемких, легких и быстро перезаряжающихся источниках тока. На возрастающий спрос первой среагировала компания Sony, представив в 1991 году литий-ионный аккумулятор, в котором металлический литий — основная причина взрывов, был заменен ионной формой, более безопасной и эффективной. Положительный электрод первой литий-ионной батареи был создан на основе кобальтата лития, а в качестве отрицательной пластины использовался кокс — углерод, получаемый в процессе термической обработки угля. В дальнейшем кокс был заменен на графит.

Безусловно, для массового коммерческого использования потребовался соответствующий уровень защиты литий-ионных аккумуляторов. Вопросам безопасности и хранения производители уделяли особое внимание. Сегодня все без исключения Li-ion аккумуляторы имеют защиту в виде двухслойного сепаратора, исключающего риск внутреннего короткого замыкания. В схеме защиты современной литий-ионной батареи на полевом транзисторе используется ключ, который при достижении напряжения 4.3 В прерывает процесс заряда. Кроме того, большинство Li-ion аккумуляторов имеют специальный термопредохранитель, разрывающий цепь при нагреве батареи до 90 С.

Литий-ионные батареи для электромобиля

Первоначально Li-ion батареи находили широкое применение лишь в компактных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, камеры и ноутбуки. Но с недавнего времени литий-ионными аккумуляторами заинтересовались авто производители. Современные li-ion обладают высокими удельными характеристиками: 100-180 Вт*ч/кг и 250-400 Вт*ч/л. Рабочее напряжение может составлять 3,5-3,7 В. Именно поэтому Li-ion батареи считаются лучшей альтернативой никель-металлогидридным. Сегодня литий-ионный аккумулятор может обеспечить электромобилю средний запас хода 150-250 километров, с числом циклов разряда/заряда от 500 до 1500.

Стоимость производства аккумуляторов варьируется от 400 до 800 долларов за 1 кВт*ч, однако компания Panasonic специально для Tesla Motors делает компактные батареи, стоимостью всего 200 долларов за кВт*ч. Это все ещё дорого, и многие специалисты отмечают, что из-за специфики производства лития снижение цен на классические литий-ионные батареи ждать не приходится. Есть и другое мнение.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-ion-pol)

Полимерные литий-ионные аккумуляторы — это эволюция традиционных химических источников тока, новое поколение батарей на основе лития. Здесь анод разделен с катодом посредством полиакрилонитрила — композитного материала, содержащего литиевую соль. При одинаковой удельной плотности Li-ion-pol аккумуляторы способны хранить на 20-25% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Кроме того, при незначительной разнице себестоимости производства литий-полимерный аккумулятор превосходит обычные батареи в легкости и экологичности.

Недостатки

При всех своих положительных свойствах Li-ion батареи имеют и отрицательные стороны. Вот основные:

  • Главными недостатками современных литий-ионных батарей является их высокая стоимость и все еще низкая экологичная безопасность;
  • Использование Li-ion аккумуляторов в электромобиле не может иметь массовый характер, так как производство лития ограниченно;
  • Литиевые батареи достаточно быстро стареют, вне зависимости от того работает ли аккумулятор или просто лежит без дела.
  • Холод способствует быстрому разряду батареи. В тоже время низкая температура (3-5 C) является важным фактором, сдерживающим потерю емкости при их хранении.

У литий-инного аккумулятора ограниченный потенциал, который современная наука пока ещё не достигла. Поиски наилучшего материала для катода привели к появлению целого семейства химических источников тока на основе лития, различающихся друг от друга энергоёмкостью и параметрами режимов разряда/заряда. Работа над созданием идеального аккумулятора продолжается.

Новости по теме

ecoconceptcars.ru

8 потенциальных прорывов в технологии аккумуляторов для электромобилей и гибридов

Многообещающие новые технологии аккумуляторов могут означать, что вскоре автомобиль сможет проехать до 800 км на одном лишь электродвигателе

На сегодняшний день продажи Tesla Roadster, Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Fisker Karma и Mitsubishi MiEV не слишком велики. Но в ближайшие годы продажи электрических и гибридных бензиново-электрических автомобилей может достичь одного процента от общих гигантских продаж автомобильного рынка, цифра составит приблизительно 150 тысяч автомобилей. Toyota, нынешний лидер на рынке гибридных автомобилей, в основном использует никель-металл-гидридные аккумуляторы. Но многие из новейших гибридных автомобилей и чистых электромобилей работают на литий-инонных аккумуляторах, которые считаются лучшими на сегодняшний день с точки зрения диапазона, мощности и времени зарядки. Именно поэтому новые модели Prius и RAV4, которые будут ездить только на электрическом двигателе, и новая модель гибрида Prius также используют литий-ионные установки.

Но в то время как литий-ионная установка является шагом вперед в мире аккумуляторов, давайте будем откровенны: технологии аккумуляторов для электромобилей и гибридов по-прежнему являются для них слабым звеном и не идут в сравнение с бензиновым или дизельным двигателем. Ни один из электродвигателей не рассчитан на расстояние большее, чем 160 км, а многие из них способны проехать и того меньше. Электрические силовые агрегаты дорогие, примерно на 50% дороже своих бензиновых эквивалентов. Купить аккумулятор для гибридного авто станет вам в копеечку. Так какие же варианты технологии гибридных батарей могут сделать переворот в мире электромобилей и гибридных автомобилей, повысить диапазон и сократить расходы? Именно об этих технологиях и пойдет речь в нашей статье. В настоящее время аккумуляторы способные стать новым альтернативным видом топлива, разрабатываются в институтах, лабораториях и исследовательских центрах по всему миру.

Углеродные нанотрубки электрода лития. Больше положительных ионов, больше электроэнергии в аккумуляторной батарее

(Разрабатывается в Массачусетском институте технологий)

Используя слои углеродных нанотрубок – сильных микроскопических полых нитей с относительно большой площадью – ученые из Массачусетского института технологий разрабатывают катод (электрод, через который проходит поток электронов из аккумулятора), который может хранить и высвобождать намного больше положительных ионов, чем обычные литиевые аккумуляторы. Идея состоит в том, что этот новый катод в силах увеличить количество энергии хранящейся электрической батареи автомобиля и сделать скорость электрического потока в десять раз быстрее по сравнению с существующими продуктами. Развитие этих новых катодов аккумулятора может также улучшить твердотелые конденсаторы, или привести к комбинации аккумулятор/конденсатор, которая будет в состоянии хранить и поставлять намного больше электроэнергии, чем любое другое, доступное на сегодняшний день, устройство.

Нанотрубки коммерчески доступны уже в настоящее время и были представлены Массачусетским институтом еще в 2010 году, но из-за ряда необходимых краш-тестов автомобилей, на которых должна была бы быть применима эта технология гибридных батарей и усовершенствований, новый аккумулятор/конденсатор станет доступным не ранее чем через пять лет. Учитывая график разработок новых гибридных машин, может понадобиться десятилетие, прежде чем мы увидим новое устройство в электромобиле.

Медные нанопроволоки катода лития. Надежда министерством энергетики США!

(Разработки ведет Университет штата Колорадо)

В этом аккумуляторе пористый проводниковый графитовый электрод будет заменен на микроскопически тонкие медные провода. Эта разработка называется 3D блоком, потому что эти тонкие провода – толщиной в одну тысячную от толщины человеческого волоса – могут накапливать ионы на всей поверхности, а не только на плоской металлической поверхности. Сама по себе медь менее чувствительна к высоким температурам, чем другие материалы, а также ее способность аккумулировать ионы, как говорят, намного  выше, чем у графита, который в настоящее время используется в литиевых аккумуляторах.

Литиевый аккумулятор с нанопроволокой может вмещать и производить намного больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы электромобилей. Аккумулятор поставляет настолько большее количество энергии, чем нынешние установки, что проект заинтересовал министерство энергетики, поддерживающее разработку и усовершенствование электрических автомобилей, и получил частичное финансирование от этого министерства.

Литий-воздушный карбон. О чем молчит IBM?

(Разработки компании IBM)

Компании, которые вкладывают средства в развитие и разработку новых технологий аккумуляторов для электромобилей и гибридов, могут быть вознаграждены с лихвой, но лишь в том случае, если их технология станет панацеей для таких чудо-машин. Примером тому может служить компания Bridgestone со своей новой технологией автопокрышек без воздуха (подробности здесь). Задумка хороша, но принимать ее для переобувки своих автомобилей готова еще не каждая автокомпания. Но мы отвлеклись от темы, IBM является одной из тех компаний, которые борются за право предоставить миру технологию аккумулятора нового поколения. Целью разработок является увеличение диапазона работы автомобиля с батарейным питанием до 800 км. Это позволит вам проехать расстояние между городами в 600 км и еще весь день ездить по городу на одном только электродвигателе.

Для этого компания разрабатывает литий-воздушные батареи с потенциалом для гораздо большей плотности энергии, чем современные литий-ионные аккумуляторы. IBM утверждает, что их аккумулятор может работать гораздо дольше на одной подзарядке благодаря использованию карбоновых электродов, в которых ионы вступают в реакцию с кислородом (такой себе дышащий аккумулятор), но кислород не разрушает электролитной среды. IBM сохраняет молчание по поводу новой технологии, которая держит кислород под контролем, но говорит, что она была разработана на молекулярном уровне. Цену, за которую можно будет купить такой аккумулятор для электромобиля, они тоже держат в тайне. Однако аккумуляторы вряд ли будут коммерчески доступны для производителей электрических автомобилей до 2020 года.

Литий кремния. Больше ионов! Больше!

(Разработчик – Северо-Западный университет)

Гарольд Х. Кун, работающий в школе Маккормика инженерных и прикладных наук при Северо-Западном университете, изучает использование кремниевых электродов, а не углеродных, надеясь создать аккумулятор с большей емкостью, и, следовательно, с большим диапазоном работы. Кун утверждает, что разрабатывая более гибкие электроды с использованием тенденции кремния расширяться и сокращаться, в то время как поглощает и высвобождает ионы, литиевый аккумулятор сможет хранить в себе во много раз больше ионов. И такой аккумулятор сможет перемещать ионы гораздо быстрее – настолько быстро, чтобы сократить время зарядки электромобиля.

Гибрид углеродно-пенного конденсатора. Самая запутанная из запутанных технологий аккумуляторов для электромобилей и гибридов

(Разработка Мичиганского технологического университета)

Ученые из Мичиганского технологического университета работают над устройством накопления энергии, чтобы объединить плотность накопленной энергии химического аккумулятора с эффективностью поставки энергии твердотелых конденсаторов. Одна из впечатляющих особенностей устройства – использование уникальной углеродной пены в качестве катода для увеличения емкости. Используемый углеродный анод, гибрид аккумулятор/конденсатор, не только меньше весит, но и производит больший заряд, чем обычный конденсатор. Устройство может быть заряжено тысячи раз, не проявляя признаков снижения производительности.

Литий-кремниевый полимер. Умный полимер -  залог будущего для гибридной батареи

(Разрабатывается министерством энергетики)

Ученые из Национальной лаборатории Лоренца Беркли в Калифорнии разрабатывают литиевый аккумулятор, который сможет хранить больший уровень энергии, чем аккумуляторы в современных автомобилях. Разработка известна как литий-кремниевый полимерный аккумулятор, и в отличие от других конструкций, которые используют кремниевые электроды, специально спроектированный полимер сохраняет структуру электродов, в то время как они расширяются и сжимаются.

Литиевое серо-углеродное нановолокно. Нано спасет мир, и не только в шампунях, но и в аккумуляторных батареях!

(Разработчик – Стэнфордский университет)

Ученые Стэнфордского университета утверждают, что способность кремния аккумулировать намного больше ионов лития, чем нынешние электроды, делает его привлекательным выбором, когда речь заходит об увеличении плотности энергии в аккумуляторе. Но здесь есть одна проблема: кремний значительно расширяется, когда он поглощает ионы, и эта его подвижность приводит к разрушению проводимости анода. Однако изготовление нановолокон из кремния снижает этот эффект. Кроме того, ученые обнаружили, что углеродные нанотрубки, внутренняя поверхность которых покрыта серой, позволяет их аккумулятору производить до десяти раз больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы. Они также утверждают, что сера является экологически более чистым (и дешевым) покрытием для электродов, потому что она легко доступна и не токсична.

Литий-марганцевые композиты/кремний-углеродные нанокомпозиты. 500 км. на одном аккумуляторе обещает там компания с парфюмерным названием

(Разрабатывается компанией Envia Systems)

Первоочередной разработкой компании является патентованный катодный материал на основе марганца, богатого металла, который высокоустойчив при использовании в аккумуляторных батареях. По словам компании Envia марганец является также более дешевым, чем более распространенные катоды на основе кобальтового материала. Также, компания утверждает, что диапазон работы электродвигателя будет доходить до 500 км.

Бонус: Новая жизнь для 12-вольтных аккумуляторов. Куда же без них?

Но по-прежнему важным остается использование в гибридных автомобилях и электромобилях 12-вольтных аккумуляторов. Почему так? Потому что все современные автомобили имеют своих «энергетических вампиров»: бортовой компьютер, дальний свет, замки, и все они требуют отдельного источника питания, кроме того аккумулятора, который используется для питания колес. Последнее поколение 12-вольтных свинцово-кислотных батарей называются поглощающий стеклянный мат (absorbed glass mat - AMG). В стекловолоконных матах батарей AMG содержится серная кислота электролита в сочетании с гелем вместо жидкого электролита. Такие батареи предлагают использовать в лодках и автомобилях, так как эти свинцово-кислотные батареи удерживают заряд до одного года и могут похвастаться более длительным сроком службы, чем обычные батареи AMG без геля электролита. 

Ну, это в будущем. А теперь немного поговорим о прошлом. В архивах КГБ нам удалось найти секретный видео - ролик о тайных разработках электромобилей СССР. Не верите? Смотрите сами!

zap-online.ru

Новые аккумуляторы в 10 раз мощнее и в 5 раз дешевле

ekoavto.com

Литий-кислородный аккумулятор

В то время как многие факторы способствуют развитию современных электромобилей, основными факторами, которые сдерживают электромобили от поездки, по дальности на одной зарядке, равной запасу хода бензиновых транспортных средств, является литий-ионный аккумулятор, а именно его плотность энергии, вес и стоимость. Однако, это может измениться в ближайшее время, благодаря литий-кислородным аккумуляторам. Исследователи из Кембриджского университета в Великобритании создали лабораторную демонстрацию лития с кислородом, или «литий-воздушный» аккумулятор, который имеет плотность энергии в 10 раз выше плотности энергии литий-ионных батарей, используемых в современных электромобилях. По данным исследования, она примерно эквивалентна плотности энергии бензина, пишется в последнем выпуске журнала Science. Также этот аккумулятор более чем на 90% эффективнее большинства литий-ионных аккумуляторов, используемых на данный момент и может быть пополнен более 2000 раз, говорится в исследовании.

Аккумуляторная батарея автомобиля Тесла модель S

Тем не менее, как и в случае с другими батареями нового поколения, есть несколько практических проблем, которые необходимо решить, прежде чем литий-воздушные батареи станут достойной альтернативой бензина. Прототип аккумулятора в настоящее время работает только в лаборатории, так как исследователи ищут способы, чтобы превратить его в жизнеспособный продукт. Например, металлический электрод должен быть защищен от образующихся в металлическом литии волокон (дендритов), которые могут привести к взрыву батареи. Кроме того, батарея может использовать только чистый кислород, а не обычный воздух из атмосферы, содержащей другие газы, включая двуокись углерода и азота, а также влагу. Все эти компоненты потенциально вредны для металлического электрода. Но вот где новый аккумулятор получает действительно захватывающие отзывы: литий-воздушные батареи могут быть в пять раз дешевле и в пять раз легче, чем сегодняшние литий-ионные. Если эти аккумуляторы будут по-настоящему в 10 раз более мощными и в пять раз легче, чем батареи, в настоящее время использующиеся в электромобилях, запас хода может быть расширен до 650 км или больше без остановки для подзарядки, как предполагают исследователи. Эта технология также может повлиять на мобильные устройства. Представьте, если аккумулятор вашего смартфона будет в 10 раз тоньше, или в 10 раз мощнее, если у него останется такой же размер.

Аккумулятор электромобиля Nissan Leaf

«То, чего мы добились, является значительным шагом вперед для данной технологии и предполагает совершенно новые области для исследования. Мы не решили все проблемы, присущие этой химии, но наши результаты показывают маршруты вперед для изготовления практического устройства»,- написал профессор отдела химии Кембриджа, Клэр Грей.

Хотя исследователи продемонстрировали батарею в лаборатории, они прогнозируют, что до начала производства готовых версий пройдет почти десять лет. Таким образом, хотя ваш следующий автомобиль, возможно, будет не с литий-воздушным аккумулятором, то следующий — вполне вероятно.

Новичок в электромобилях? Начни отсюда

 

Электромобили. Плюсы и минусы Как почти все в жизни, электромобили имеют свои плюсы и минусы. На сайтах для рекламы электромобилей, как правило, намного больше преимуществ, чем недостатков, но это не значит, что мы не можем предложить честную оценку плюсов и минусов автомобилей, которые используют электроэнергию вместо нефти. Гибридный автомобиль. Что это Гибридный автомобиль лучше всего определить как средство, имеющее двигатель, способный переключаться между ископаемым топливом и альтернативным источником топлива. Как купить электромобиль Если вы подумываете о покупке электромобиля или просто хотите знать, из-за чего весь сыр-бор, это руководство предназначено в качестве резюме, чтобы помочь прояснить ситуацию. Домашняя зарядная станция. Обзор EVSE по существу не более, чем электрические устройства, позволяющие водителям безопасно подключить электромобиль к источнику электричества 220-вольт. Тем не менее, существуют важные различия между различными домашними зарядными устройствами.

 

Читать все статьи нашего Гида

АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

     В последнее время всё больше автомобилей переходят с бензиновых двигателей на электрические. Конечно последним всё ещё далеко по своим характеристикам до классических - внутреннего сгорания, но прогресс на месте не стоит, и если пока пальму первенства удерживают бензиновые и дизельные, то очень скоро произойдёт массовый переход на более экологичные и бесшумные двигатели на электротяге.

     На данный момент слабым местом электромобиля является аккумулятор. Сейчас используются в основном литий - ионные. Такие аккумуляторы, при их преимуществах связанных с относительно небольшими размерами, больше страдают от процесса ухудшение характеристик со временем. Большинство таких аккумуляторов не может служить больше пяти лет. Количество зарядно-разрядных циклов не так влияют на ресурс, как возраст, при коротком времени цикла заряда и разряда, батарея выдерживает до 2000 циклов. Для достижения максимальной длительности эксплуатации аккумулятора, при заряде необходимо использовать токи равные половине емкости. И нежелательно превышать предел в одну ёмкость, так как это приводит к резкому сокращению срока службы.

     В настоящее время существуют такие разновидности литий ионных аккумуляторов: на базе кобальтатов лития на графитовых электродах, и на основе других элементов - LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4 , LiFePO4.

     Сейчас автопроизводители используют такие аккумуляторы, есть модель с напряжением 36 В, способная отдавать более 15 кВт мощности, другая модель, состоящая из 200 отдельных никель-метал-гидридных батарей. Каждый отдельный элемент этой батареи расположена в коробке из стали и дает напряжение 1,3 В. Батареи собраны вместе в группы по несколько штук. В портативном батарейном источнике питания 50 модулей. Полное напряжение портативного батарейного источника питания составляет около 300 вольт.

     В аккумуляторах электромобилей Honda используют элементы с силой тока при разрядке составляет 100A, а при зарядке - 50A. Напряжение батареи 240 В.

     Автомобили на электротяге Nissan, имеют литий-ионные батареи плоского типа. Под днищем авто спрятано 50 модулей: вес каждого модуля 4 кг, и общая энергоотдача отдача – 90 кВт. Этого достаточно, чтобы питать 80-киловаттный электромотор (280 Н·м)  и другие бортовые системы. Заряженных батарей хватает где-то на 160 км проезда. 

     В автомобилях на электротяге используются следующие модификации литиевых аккумуляторов: 

- Никель-кобальт-марганец. Марганец дешевле кобальта, но срок его службы меньше. Если заменить части кобальта никелем и марганцем, то аккумулятор может получить либо более высокую мощность, либо большую энергетическую плотность. NCM остается восприимчивым к тепловому уходу, но меньше так чем диоксид кобальта.

- Никель-кобальт-алюминий. Этот сплав подобен NCM, но алюминий стоит меньше.

- Фосфат железа. Этот сплав мог бы стать самым перспективным, потому что он стабилен и безопасен. Не имеет никаких проблем с перегревом. Недостатком является то, что аккумуляторы из FePo работают при более низком напряжении, чем кобальтовый аккумулятор, поэтому батарей и элементов должно быть больше.

     Вес всей аккумуляторной батареи в электромобилях не мал, и составляет от 50 до 400 кг. Но всё-же литий-ионный аккумулятор вырабатывает примерно вдвое больше энергии на единицу веса, чем предыдущее поколение никель-метал-гидридных аккумуляторов. В перспективе можно спрогнозировать полный переход автомобилей на электротягу с использованием литий - ионных аккумуляторов и их модификаций. Особенно это относится к городскому транспорту, так как вопрос экологичности у него стоит на первом месте.

     ФОРУМ по аккумуляторам и зарядным устройствам.

 

Поделитесь полезной информацией с друзьями:

elwo.ru


Смотрите также