Электрические батареи будущего
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 07.04.2016 05:00
- Автор: Abramova Olesya
- 1. Литий-воздушный аккумулятор
- 2. Литий-металлический аккумулятор
- 3. Твердотельный литиевый аккумулятор
- 4. Литий-серный аккумулятор (Li-S)
- 5. Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion)
Экспериментальные модели батарей в большинстве своем находятся за закрытыми дверьми лабораторий и исследовательских центров, и декларируют свои многообещающие характеристики посредством пресс-релизов, не последней целью которых является привлечение инвестиций. Некоторые проекты показывают просто нереальные результаты, а дата предполагаемого реального представления публике все время переносится. Значительная часть прототипов так и остается неоцененной конечными потребителями из-за так и не завершившейся лабораторной части разработки.
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
Но подобная риторика разработчиков не в последнюю очередь вызвана инвестиционной спецификой. Современные представители венчурных фондов жаждут быстрейшего приумножения капитала, поэтому десятилетний период разработки нового электрохимического источника питания им не слишком выгоден. К сожалению, поиск и привлечение капитала становятся значительным препятствием для новых перспективных разработок. (Смотрите: Знакомство с электрической батареей).
Большинство экспериментальных электрических батарей на основе лития имеют одну общую черту - они используют анод из металлического лития для достижения более высокой удельной энергоемкости, чем это возможно, используя оксидный катод широко распространенной сегодня литий-ионной батареи.
Кампания Moli Energy впервые начала массовое производство литий-металлического аккумулятора в 1980-е, но его использование представляло собой угрозу из-за дендритов, которые могли вызвать короткое замыкание или даже взрыв батареи. В связи с этими недостатками, компании пришлось отзывать все свои литий-металлические аккумуляторы. В 1989 году компании NEC и Tadiran пытались улучшить эту технологию, что вышло у них с ограниченным успехом. Очень мало компаний сейчас выпускают литий-металлические аккумуляторы, большинство ограничиваются неперезаряжаемой версией. Исследования в этой сфере продолжаются, и вполне возможно, что безопасная и надежная конструкция аккумулятора с твердотельным литием не за горами. Ниже в тексте будут описаны новейшие разработки.
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
Была также разработана новая структура анода для литий-ионных аккумуляторов, основанная на кремний-углеродных наноструктурах. Кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графитовый, но его расширение и сжатие во время заряда и разряда делает всю конструкцию аккумулятора неустойчивой. Но если использовать и кремний и графит для анода, это позволит в пять раз превысить показатель емкости стандартного графитового электрода, однако такой союз негативно скажется на времени жизни анода.
Гармоничное совмещение хороших показателей всех основных характеристик электрической батареи является непростой задачей для разработчиков. Ниже перечислены наиболее перспективные экспериментальные батареи.
1. Литий-воздушный аккумулятор
Литий-воздушная электрохимическая система открывает новые захватывающие грани, так как она позволяет хранить гораздо большее количество энергии, чем это позволяют нынешние литий-ионные технологии. Исследователи заимствовали идею использования кислорода из атмосферы, которая реализована в воздушно-цинковом и топливном элементе. Каталитический воздух, поставляющий кислород, выполняет в литий-воздушном аккумуляторе роль катода.
Теоретическая удельная энергоемкость литий-воздушного аккумулятора составляет 13кВт*ч/кг. Существуют и алюминий-воздушные прототипы с удельной энергоемкостью, немногим меньшей 8 кВт*ч/кг. Если удастся создать рабочую модель металл-воздушного аккумулятора с таким показателем энергоемкости, то по этому параметру он будет сравним с бензиновым двигателем с показателем в 13 кВт*ч/кг. Даже если этот прототип покажет четверть от теоретической плотности энергии, подключенный к нему электродвигатель с КПД более чем 90% компенсирует это отставание, так как КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет всего лишь 25-30%.
Литий-воздушная технология была впервые предложена в 1970-х годах, и получила повторный всплеск интереса в 2000-х, когда достижения науки сделали возможным разработку аккумулятора этой электрохимической системы для нужд электротранспорта. В зависимости от используемых материалов, ячейка такого аккумулятора способна обеспечить от 1,70 до 3,20 В. Стабильную рабочую версию аккумулятора пытаются разработать IBM, Массачусетский Технологический Университет, Калифорнийский Университет и другие научно-исследовательские центры.
Как и в других воздухсодержащих батареях, удельная мощность литий-воздушного аккумулятора снижается при низких температурах. Чистота воздуха также является важной, и в случае использования аккумулятора при недостаточно чистом воздухе ему нужна система фильтрации. Это система, состоящая из компрессоров, насосов и фильтров, делает аккумулятор похожим на топливный элемент и потребляет до 30% вырабатываемой мощности.
Еще одной проблемой является синдром “внезапной смерти” аккумулятора. Литий и кислород образуют пленку пероксида лития, которая выступает барьером и препятствует движению электронов, что приводит к резкому уменьшению емкости аккумулятора. В связи с этим, ученые экспериментируют с примесями, предотвращающими образование пленки. Также проводятся мероприятия по увеличению количества циклов заряда/разряда, так как нынешние 50 циклов являются неудовлетворительным показателем.
2. Литий-металлический аккумулятор
Несмотря на несколько неудачных попыток коммерциализировать перезаряжаемые литий-металлические батареи, исследования и ограниченное производство этой электрохимической системы продолжается. В 2010 году в электромобиль Audi F2 был установлен экспериментальный литий-металлический аккумулятор с удельной энергоемкостью 300 Вт*ч/кг. DBM Energy, производитель этого аккумулятора, утверждает, что он будет иметь 2500 циклов заряда/разряда, короткое время зарядки и конкурентную цену при условии массового производства.
Audi A2 с этим аккумулятором смог проехать расстояние от Мюнхена до Берлина (450 км) на одной зарядке. По некоторым слухам, во время лабораторных испытаний были случаи воспламенения этого аккумулятора, и хотя он прошел официальные тесты, долгосрочная безопасность остается проблемой из-за образования металлических нитей, которые могут приводить к короткому замыканию.
Показатель удельной энергоемкости литий-воздушного аккумулятора в 300 Вт*ч/кг является одним из самых высоких для систем на основе лития. NCA (литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный) аккумулятор в электромобиле Tesla S 85 имеет удельную энергоемкость 250 Вт*ч/кг, LMO (литий-марганцево-оксидный) в BMW i3 достигает 120 Вт*ч/кг, а аналогичная электрохимическая система в Nissan Leaf - 80 Вт*ч/кг.
| AGM Deep Cycle |
GEL Deep Cycle | Литиевые (LiFePO4) |
 |
 |
 |
| 10 лет / 400 циклов | 10 лет / 500 циклов | 20 лет / 2200 циклов |
| универсальное применение | для циклических разрядов | для частых глубоких разрядов |
3. Твердотельный литиевый аккумулятор
Стандартный литий-ионный аккумулятор использует графитовый анод, что приводит к некоторому снижению удельной энергоемкости. Твердотельная технология подразумевает замену графита чистым литием, а пористого полимерного сепаратора с впитанным электролитом - керамическим сепаратором. Это конструкция напоминает литий-полимерный аккумулятор из 1970-х, развитие которого было ограниченным из-за его низкой производительности и соображений безопасности. (Смотрите: Литий-полимерный аккумулятор: перспективная электрохимия или переоцененный источник питания?).
Твердотельный литиевый аккумулятор довольно схож с литий-металлическим, но в нем разработчики попытались решить проблему образования металлических нитей с помощью сухого полимера и керамического сепаратора. Также к недостаткам, которые исследователи надеются исправить, относятся недостаточная проводимость при низких температурах и ограниченное количество циклов. На данном этапе разработки твердотельные литиевые аккумуляторы имеют около 100 циклов заряда/разряда.
Ожидается, что твердотельные литиевые аккумуляторы смогут вмещать в два раза больше энергии по сравнению с литий-ионными, но нагрузочные характеристики будут меньше, что не позволит использовать их для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих высоких показателей силы тока. Целевым применением могут стать накопительные системы хранения энергии для возобновляемых источников, а также роль вспомогательных аккумуляторов в электротранспорте. По прогнозу научно-исследовательских центров, в частности, компании Bosch, эта электрохимическая система станет коммерчески доступной в 2020 году, а ее использование в электротранспорте ожидается к 2025 году.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Flooded 6V | Flooded 8V | Flooded 12V |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов |
| для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д. | ||
4. Литий-серный аккумулятор (Li-S)
В силу низкого атомного веса лития и умеренной массы серы, литий-серная электрохимическая система может обеспечить очень высокую удельную энергоемкость 550 Вт*ч/кг, что примерно в три раза больше, чем у литий-ионной системы. Li-S также имеет отличный показатель удельной мощности в 2500 Вт/кг. Напряжение ячейки такого аккумулятора составляет 2,10 В. Сам аккумулятор имеет отличные низкотемпературные характеристики, к примеру, он может быть заряжен при -60°С. Литий-серная электрохимическая система является экологически чистой, а ее основной ингредиент, сера, имеется в изобилии. Ожидаемая стоимость литий-серного аккумулятора составляет $ 250 за кВт*ч.
Стандартный литий-ионный аккумулятор имеет графитовый анод, который содержит ионы лития. В литий-серном графит заменяется на металлический литий, который выполняет двойную работу в качестве электрода и поставщика ионов. Также литий-серный аккумулятор избавлен от “мертвого груза” в виде оксидов металлов, которые заменены на более дешевую и легкую серу. Сера имеет дополнительное преимущество в виде возможности захвата двух атомов лития, что недоступно в литий-ионном аккумуляторе.
Проблемой литий-серных аккумуляторов является ограниченное количество циклов заряда/разряда - около 40-50. Другие недостатки – это плохая проводимость, деградация серного катода и плохая стабильность при высоких температурах. Но с 2007 года исследователями проводятся эксперименты с нанопроводами и графеном, использование которых в литий-серной электрохимической системе показывает многообещающие результаты.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Trojan Marine RV | AGM Deep Cycle | Trojan GEL Deep Cycle |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для речного и морского траспорта | для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок | |
5. Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion)
Натрий-ионная электрохимическая система представляет собой крайне интересную альтернативу литий-ионной, так как натрий является недорогим и легкодоступным материалом. Проиграв конкуренцию в конце 1980-х литий-ионной системе, натрий-ионная обладает одним интересным преимуществом - она может быть полностью разряжена без деградационных последствий, что присуще другим электрохимическим системам. Также использование и транспортировка Na-ion не регламентируется специальными правилами ввиду ее безопасности. Напряжение ячейки натрий-ионного аккумулятора составляет 3,60 В, а удельная энергоемкость - 90 Вт*ч/кг. По стоимости киловатт-часа такой аккумулятор сопоставим со свинцово-кислотным. Дальнейшее развитие этой технологии предполагает решение проблемы небольшого количества циклов заряда/разряда и объемного расширения аккумулятора в заряженном состоянии.
Последнее обновление 2016-02-21
Контроль и защита аккумуляторов
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |
 |
 |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
