Щелочные аккумуляторы
Наш обзор будет неполным, если мы не скажем о том, что существуют и специфические виды аккумуляторов для автомобилей.
Вернёмся немного назад во времени, а именно в тот момент, когда конструкторы экспериментировали с составами электролита. Уже тогда было известно, что в качестве «жидкой» составляющей АКБ может выступать не только смесь воды и кислоты, но и щелочной раствор. Правда, в таком варианте свинцовые пластины тоже требовали определённой модернизации – они покрывались в зависимости от модификации растворами никеля, кадмия и железа.
Однако, несмотря на наличие явно положительных качеств, таких как полное отсутствие электролиза, устойчивость к глубокой разрядке и повышенному напряжению, неплохая энергоёмкость и высокий пусковой ток, щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в автомобилестроении. И дело даже не в их высокой стоимости, которая, кстати, существенно выше даже самых дорогих кислотных аналогов.
Причиной, которая буквально перечеркнула все достоинства щелочных батарей, стал так называемый «эффект памяти». Дело в том, что, если начать заряжать не полностью разряженный щелочной аккумулятор, он «запомнит» количество свободного для заряда места и при следующей зарядке возьмёт ровно столько энергии и ни на один милливатт больше. И что самое печальное, то же повторится и при следующем неполном заряде.
Таким образом, буквально за 2–3 неудачных заряда можно свести ёмкость батареи к нулю. Согласитесь, что такая перспектива не стоит даже самых распрекрасных показателей силы тока и энергоёмкости.
Хотя сказать, что щелочные аккумуляторы совсем не используются на транспорте, будет не совсем верным. Их довольно успешно применяют на «тяговой» технике, такой как электропогрузчики, электрокары и так далее.
Достойная замена литию
Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.
Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.
Как работают литий-ионные аккумуляторы
Мало кто знает, но литий-ионная батарея появилась еще в 1912 году, но использовалась крайне редко до тех пор, пока в 1991 году на нее не обратила внимания компания Sony и не начала активно внедрять ее в свои камеры, плееры и другие устройства.
”Новый” тип батарей оказался относительно недорогим в производстве, имел высокую плотность энергии и не имел эффекта памяти, то есть испортить его частыми зарядками на половине емкости было нельзя.
Эти батареи состоят из двух положительных и отрицательных электродов, разделенных жидким химическим электролитом, таким как этиленкарбонат или диэтилкарбонат. Из-за особенностей химического состава такая батарея может быть только прямоугольной. Именно поэтому Г-образные аккумуляторы в смартфонах часто являются просто двумя батареями, соединенными друг с другом.
Вот так может вздуться аккумулятор, если с ним что-то не так.
Емкость литий-ионного аккумулятора уменьшается со временем. Чем больше циклов зарядки, тем меньше емкость батареи. А еще такая батарея имеет свойства саморазряда. Она может разрядиться, когда просто лежит и не используется. Даже отдельно от устройства.
Серьезным минусом таких батарей является то, что электролит в них становится нестабильным при экстремальных температурах и проколах оболочки. Это приводит к ”тепловому истощению” и воспламенению. Правда, не стоит сразу откладывать телефон подальше в комнату с бетонными стенами. Такое происходит очень редко — просто это возможно. Для того, чтобы этого не произошло, предусмотрены специальные контроллеры, которые сделают все, чтобы батарея не перегревалась.
Конструкция аккумуляторной батареи
Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:
- Пластины (гальванические элементы)
- Сепараторы – прослойки
- Полюсные выводы
- Герметичный корпус (моноблок)
- Крышка корпуса
Элементы аккумулятора
Пластины аккумулятора
В техническое устройство аккумуляторных батарей включены гальванические элементы (пластины) – химические источники электроэнергии. Их количество составляет 6 штук, они соединены друг с другом последовательно, при помощи перемычек. Один отрицательно заряженный вывод блока крепится к положительному выводу другого.
Гальванические элементы располагаются в отдельном корпусе, при этом они разделены перегородками. В своей совокупности аккумуляторы образуют батарею.
Гальванический элемент автомобильного аккумулятора относится к обратимым источникам химического тока – это означает, что цикл «заряд-разряд» можно повторять несколько раз. Он состоит из двух электродов (полублоков) разной полярности – свинцовых решетчатых пластин. Электроды располагаются в растворе серной кислоты (38 %) и дистиллированной воды. Их смесь является электролитом – веществом, способным проводить ток.
Сепараторы — прослойки
Между электродами, во избежание короткого замыкания, находится сепаратор – диэлектрическая прослойка. Сепаратор выполняет функцию изолятора, и не допускает соприкосновения электродов разной полярности, но при этом не нарушает электролитическую проводимость батареи.
Сепаратор изготовлен из пластмассы микропористой структуры, в виде конверта, надетого на гальванические элементы положительного заряда. Такой прием помогает активной массе с положительно заряженных пластин не оседать на дне моноблока и не соприкасаться с пластинами отрицательного заряда.
Разработка устройства сепаратора в форме конверта позволила фирмам производителям АКБ прийти к малообслуживаемым и необслуживаемым аккумуляторам.
Полюсные выводы
Полюсные выводы АКБ изготовлены из свинца. Их размер различается в зависимости от полярности вывода, так положительный является большим по отношению к отрицательному. Данная особенность не случайна и служит защитой от неправильного подключения элементов аккумуляторной батареи, что в свою очередь исключает потерю активных масс и помогает избежать сокращения работоспособности АКБ.
Герметичный корпус АКБ
Корпус аккумулятора (моноблок) прошел свою эволюцию от деревянного, покрытого изнутри листовым свинцом, далее – эбонита.
В 40-х гг. XX века появились первые корпуса из синтетических материалов. Современные АКБ состоят из синтетического полипропилена. К материалам моноблоков предъявляются большие требования относительно его долговечности и безопасности. Корпус рассчитан выдерживать постоянное соприкосновение химических составляющих, вибрацию и изменение температуры.
Крышка корпуса
Назначение крышки корпуса – плотное закрытие межэлементных соединений АКБ. У прежних аккумуляторов ячейками были резьбовые пробки, предназначенные для доливки электролита и отвода газа при эксплуатации аккумулятора. В конструкции необслуживаемого АКБ пробки не установлены вообще, либо плотно закрыты. Вывод газов предусмотрен при помощи центральной системы вентиляции.
Она состоит из двух частей и оборудована лабиринтом. При помощи лабиринта водяные пары образующиеся при зарядке АКБ конденсируются и стекают обратно в батарею. В крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов. Защита от воспламенения выполнена на выходе газоотвода из аккумулятора в виде небольшого круглого диска, она получила название — фритта. Принцип действия фритты заключён в свободном прохождении газа в атмосферу, но при воспламенении газа, препятствованию прорыву огня внутрь, чтобы не допустить взрыв аккумулятора.
Тем временем в России
Отечественные специалисты тоже смотрят в сторону атомных портативных элементов питания. К примеру, сотрудники НИТУ «МИСиС» в августе 2020 г. продемонстрировали собственный прототип такой батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.
Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.
Отечественный вариант бета-гальванической батареи
За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.
«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см2 (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31 нВт/см2, (в планарной — 3 нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — отметил один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».
Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.
Ёмкость
А Вы уже пользуетесь аккумуляторными перезаряжаемыми батарейками?
Уже давноХочу попробовать
Параметр ёмкости эквивалентен времени, в течение которого устройство сможет полноценно питаться излучаемым аккумулятором током. Иными словами, чем больше ёмкость, тем дольше сможет работать прибор на одном заряде.
Измеряется этот параметр в миллиампер-часах. Диапазон имеющихся в продаже значений может колебаться в пределах от 100 до 12000 мА-ч. Казалось бы, выбрать самый ёмкий аккумулятор — и это будет лучшее решение. Но на практике всё не так просто. Чем больше ёмкость батареи, тем дольше она заряжается. И хорошо, если доступна зарядка током с большим напряжением. Но если речь идёт о металлгидридных элементах, которые рекомендуется подпитывать слабым током, удобство устройств с большой ёмкостью уже не кажется таким очевидным. Исходите и энергопотребления прибора и режима его работы.
Разновидности литиевых АКБ
Литий-полимерные АКБ
Некоторые из них являются полностью сухими, а поэтому долговечными и менее пожароопасными. Их характеристики лучше при относительно высоких температурах. Поэтому их часто предпочитают использовать в жарком климате.
Литий-ионный полимер
Литий-ионный полимерный аккумулятор
Производители в большинстве случаев все же добавляют гель внутри АКБ. Название батареи остается таким же, как и у полностью сухих — Li-Polymer, хотя правильней было бы литий-ионные полимерные АКБ. Их чаще всего используют в телефонах и ноутбуках.
Различия в таких АКБ определяются, прежде всего, материалом катода. Материал катода можно узнать по второй букве в названии АКБ. Например:
- C — с кобальтом. Такие АКБ имеют самое большое значение емкости.
- M — с марганцем. Емкость меньше, зато имеют максимальный разрядный ток, то есть их лучше применять там, где нужна большой ток отдачи.
- F — железо — фосфатные. Имеют ёмкость меньше, как и отдаваемый ток, зато можно перезаряжать больше 1000 раз и за 1 час.
Достоинства:
- Уменьшенные размеры и вес – толщина может достигать миллиметра при незначительном весе.
- Возможность сгибания.
- Достаточно высокая емкость.
Недостатки:
- Недопустим глубокий разряд.
- Стоимость выше обычных.
Li-Fe
АКБ литий-железосульфитные имеют высокие количества перезарядки – до 2000, быстро заряжаются – 15 мин, большой ток отдачи – 60-130 А. Хорошо работают при температуре -30 С, требуют особого зарядного устройства, и имеют больший вес чем обычные. Цены пока высокие.
Литий-железосульфитный
Кремний повышает емкость
Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.
Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius, созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких людей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года — министр энергетики США).
Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.
В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния, который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.
Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок. В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).
«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.
Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния, которые непосредственно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.
Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.
Типы аккумуляторов
батареек определяются материалами, применяемыми при их изготовлении.
Свинцовые элементы
Свинцовый элемент
Корпус герметичный. Внутри вместо жидкости иногда применяется гель. Есть клапаны для выхода газов. Сейчас такого рода АКБ встречаются реже, однако до сих пор АКБ такого типа выпускаются.
Достоинства:
- Невысокая стоимость.
- Неплохая переносимость низких температур.
Недостатки:
- Не являются полностью герметичными, несмотря на название – чаще всего необходимо эксплуатировать в строго вертикально.
- Имеются выделения щелочных или кислотных паров – не стоит использовать в невентилируемых помещениях.
- Нельзя заряжать до предела – кипение жидкости приводит к выходу из строя.
- Низкий заряд приводит к резкому сокращению емкости.
Никелевые АКБ
Никель-кадмиевые аккумуляторы
У никель-кадмиевых батарей наблюдается «эффект памяти», то есть если вы не полностью разрядили аккумулятор, то он заряжается только до уровня последней зарядки. То есть он как бы запоминает уровень последнего заряда, с которого его заряжали. Чтобы «стереть» память такого аккумулятора, никель-кадмиевые аккумуляторы надо обязательно полностью разряжать перед зарядкой, если вы хотите быть уверенным, что он зарядится полностью, а не, например, на 80 процентов.
Хранить их лучше в примерно с 40 % заряда, по причине необратимых изменений в случае длительного разряженного состояния.
Достоинства:
- Низкая цена.
- Возможность скоростной зарядки.
- Сохраняет емкость даже при – 20°C.
- Количество циклов заряда – до 1000.
Недостатки:
- Специальная система зарядки, предусматривающая полный разряд.
- Содержат токсичный кадмий.
- В течение первых 24 часов может потерять 10 % заряда.
- В течение первых 30 дней теряет до 20 % емкости.
Долго хранившиеся АКБ необходимо подзаряжать с помощью 5 циклов, чтобы они пришли в норму.
Другой вид – АКБ на основе никеля и металл гидридов.
NI-MH аккумулятор
Преимущества:
- Менее токсичные, чем содержащие кадмий.
- АКБ Ni-Mh «эффекта памяти» не имеет или он у них мало выражен.
- Хранится с полным зарядом. В случае длительного хранения заряжайте ежемесячно.
- Имеют на 50 % большую емкость чем на основе кадмия.
- Некоторые имеют отметку LSD (low self-discharge), то есть очень медленно разряжающиеся.
Недостатки:
- Выше стоимость.
- Саморазряд больше, чем у тех что содержат кадмий – могут разрядиться в течение нескольких месяцев хранения.
- После 200-300 циклов разряда емкость начинает снижаться.
- Срок службы меньше чем у аккумуляторов, содержащих кадмий.
Новые АКБ перед первым применением рекомендуется 3-5 полностью зарядить – разрядить для приведения в рабочее состояние.
Альтернативные разработки
Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые аккумуляторы и положить конец их далеко не самым экологичным и этичным производству и утилизации.
Что мешает российскому ИТ-бизнесу выйти на глобальный рынок
Бизнес
В декабре 2018 г. CNews писал о том, что ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.
Еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.
В ноябре 2018 г. стало известно, что в Китае стартовало производство аккумуляторов с твердым электролитом, которые в обозримом будущем могут стать частью мобильной техники и транспортных средств. Предполагалось, что они придут на смену литий-ионным батареям за счет большей компактности и безопасности.
Классификация аккумуляторных батарей
Помимо разделения батарей на виды в зависимости от технологий изготовления, они разделяются на другие типы.
Например, по типу поставки с завода изготовителя:
- сухозаряженные – отличаются большими сроками хранения, так как распространяются без электролита внутри;
- залитые – имеют электролит и готовы к использованию.
По возможности технического обслуживания:
- обслуживаемые – можно вскрывать и ремонтировать;
- малообслуживаемые – возможность проводить частичный ремонт;
- необслуживаемые – ремонту не подлежат.
АКБ из категории «обслуживаемые» найти пока еще реально, вот только есть ли смысл? При КЗ их можно отремонтировать, но есть много недостатков, к тому у них менее прочный корпус при сравнении с другими – эбонит (материал корпуса) хрупкий материал. А мастика, которой заливают такие аккумуляторы, при загрязнениях теряет изоляционные свойства, что приводит к увеличению саморазряда.
Сегодня на рынке чаще предлагаются категория малообслуживаемых батарей. И это вполне оправдано, ведь проводить ремонт должен профессионал в этом деле, да и стоит это недешево. Так что в случае неисправностей АКБ лучше заменить.
Аккумуляторов типа «необслуживаемых» у нас практически нет на полках магазинов, так как они малопригодны для наших климатических широт.
По расположению клемм:
- прямой полярности;
- обратной полярности.
Аккумуляторы без тяжелых металлов
Специалисты IBM Research разработали аккумулятор из новых материалов, который по ряду характеристик значительно превосходит широко распространенные сегодня литий-ионные батареи. Об этом говорится в сообщении, размещенном в блоге исследовательского подразделения компании (IBM Research) на ее официальном сайте.
В сегодняшних аккумуляторах, которые используются в ряде устройств: от фитнес-браслетов и смартфонов до электромобилей, часто применяются тяжелые металлы, в частности кобальт и никель. Например, в литий-ионных аккумуляторах катод (отрицательный электрод) может выполняться из кобальтата лития или никелата лития. Сами по себе эти металлы могут представлять угрозу как здоровью человека, так и окружающей среде. Кроме того, их запасы ограничены, а при добыче кобальта, по данным Financial Times, используются детский труд.
Новая технология IBM предполагает создание аккумулятора на базе трех новых материалов, среди которых тяжелых металлов нет. Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают, однако уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.
Какие бывают аккумуляторные батарейки
Все выпускаемые батареи характеризуются несколькими стандартными параметрами, которые определяют сферу применения.
Некоторые из них сделаны по образу одноразовых батареек и призваны заменить их. С другой стороны, не всем батарейкам можно найти эквивалент среди аккумуляторов. Например, большинство «таблеток» вроде LR44 и тому подобных, так и остались лишь батарейками, так как перезаряжать элемент такой формы неудобно, а одноразовый стоит и так довольно дёшево.
Среди характеристик, по которым осуществляется выбор устройств типа Rechargeable, можно выделить три основные:
- Форм-фактор.
- Ёмкость.
Большинство известных производителей выпускают разные наименования товаров, среди которых можно выбрать тот набор параметров, который устроит потребителя.
Сурьмянистые аккумуляторы
Эти модели ещё принято называть традиционными. Их устройство простое и надёжное, как автомат Калашникова. В шесть изолированных банок наливается электролит (раствор из дистиллированной воды и серной кислоты) и помещаются попеременно «плюсовые» и «минусовые» свинцовые пластины. В качестве легирующей присадки для свинца используется сурьма, отсюда и название.
Сурьмянистые аккумуляторы имеют самую невысокую из всех аналогов цену и при этом сравнительно неплохо работают. Этим можно объяснить их лидирующее положение на рынке вот уже более 100 лет.
К основным их достоинствам можно отнести высокую устойчивость к глубокому разряду, нетребовательность к стабильности автомобильной электросети и достаточно продолжительный (при соблюдении правил эксплуатации) срок службы. Недостатками же являются предрасположенность к сульфатации, невысокие показатели стартового тока и возможные проблемы при запуске двигателя на морозе.
Отличительной особенностью сурьмянистых аккумуляторов является тот факт, что во время работы электролит выделяет пузырьки или, как говорят в народе, кипит. Это, естественно, приводит к постепенному уменьшению уровня жидкости, так что периодически электролит приходится добавлять. Именно поэтому большинство сурьмянистых аккумуляторов относится к так называемым обслуживаемым батареям.
Итог
Если подытожить, то можно сказать, что аккумуляторные технологии не стоят на месте, да и резких скачков не происходит. Но постепенный и очень уверенный прогресс всё же идёт. Не стоит ожидать от графена каких-то магических свойств. Графен не приведёт к революционному скачку в развитии батарей и уж точно не заменит технологию литиевых аккумуляторов, а только дополнит её. Думаю, не зря Илон Маск делает ставку именно на литиевые батарейки. Tesla не просто так вкладывает огромные средства в развитие именно литиевых аккумуляторов.
Что ж, нам остаётся только запастись терпением и ждать, когда технологии станут более совершенными и батареи окончательно избавятся от своих последних слабых мест!
