Майбутні батареї

Загальні проблеми та виклики

Найпоширенішими акумуляторними системами сьогодні є літій-іонні та свинцево-кислотні. Але обидві системи мають проблеми та обмеження, які вимагають кращого рішення. Індустрія акумуляторів переповнена невиконаними обіцянками, але прогрес все ще спостерігається.

Економічне зберігання електроенергії залишається однією з невирішених проблем сучасного суспільства. Приказка говорить: «Кожне покращення продуктивності акумулятора на 1% розширює його застосування на 10%». Простий принцип показує: «Вартість енергії подвоюється при зберіганні в акумуляторі для повторного використання».

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Довговічність та ресурс

Що стосується довговічності, то в літій-іонних акумуляторах спостерігається прогрес завдяки використанню монокристалічного катодного матеріалу. Довший термін служби та більша ємність зумовлені індустрією електромобілів, яка прагне 15-річного терміну служби акумулятора. Однак, доки мобільні телефони на споживчому ринку використовуватимуть поширені літій-іонні типи, що заряджаються до максимально допустимої напруги, термін служби буде коротким.

Питома енергія та нові аноди

Що стосується питомої енергії, анод з кремнієвих нанодротів досягає високої ват-години на кг (Вт·год/кг), яка може бути вдвічі більшою, ніж у комерційних літій-іонних елементів, але структури на основі кремнієвих нанодротів мають обмежений термін служби. Мікророзмірні кремнієві острівці утворюються під масивами нанодротів внаслідок циклічного розтягування, що призводить до напружень та розтріскування. Втрата ємності, що виникає в результаті зменшення контакту зі струмозбірниками.

Експериментальні батареї здебільшого живуть у захищених лабораторіях і спілкуються із зовнішнім світом за допомогою багатообіцяючих, але однобоких звітів, часто для того, щоб залучити інвесторів. Деякі конструкції демонструють нереалістичні результати з очікуваними датами випуску, які з часом змінюються. Більшість концепцій зникають зі світу батарей і гідно помирають у лабораторії, і ніхто не дізнається про їхню смерть.

Фінансування та розвиток

Мало які інші продукти мають такі ж суворі вимоги, як акумулятор, а складність спантеличує венчурних капіталістів, які успішно досягли успіху в еру доткомів і очікують такої ж щедрої віддачі від своїх інвестицій лише за 3 роки, розробка акумулятора зазвичай займає 10 років. Більшість венчурних капіталістів не мають терпіння чекати і повертають гроші, залишаючи розробника у скрутному становищі. Залучення капіталу займає багато часу, і багато стартапів витрачають на це завдання стільки ж часу та енергії, скільки й на дослідження. 

Більшість експериментальних акумуляторів літієвої родини мають одну спільну рису: вони використовують металевий літієвий анод для досягнення вищої питомої енергії, ніж це можливо з окисленим катодом у літій-іонних акумуляторах, які широко використовуються сьогодні.

Компанія Moli Energy першою почала масово виробляти літій-металеві акумулятори у 1980-х роках, але вони становили серйозну загрозу безпеці, оскільки ріст літієвих дендритів спричиняв короткі замикання, що призводило до теплового вибуху. Місцева пожежна служба точно знала, куди подати сигнал тривоги на заводі Moli, це був склад акумуляторів. Після того, як внаслідок витоку газу користувач акумулятора отримав травму, у 1989 році всі літій-металеві акумулятори були відкликані. NEC та Tadiran намагалися покращити конструкцію, але з обмеженим успіхом. Дуже мало компаній виробляють літій-металеві акумулятори, що перезаряджаються, і більшість пропонує лише первинні версії. Дослідження тривають, і можливе рішення з новими матеріалами як частиною твердотільного літію може бути доступним. 

Дослідники також розробили анодну структуру для літій-іонних акумуляторів на основі кремній-вуглецевих нанокомпозитних матеріалів. Кремнієвий анод теоретично може зберігати в 10 разів більше енергії, ніж графітовий анод, але розширення та стиснення під час заряджання та розряджання роблять систему нестабільною. Додавання графіту до анода, як кажуть, дозволяє досягти теоретичної ємності, яка в п'ять разів перевищує ємність звичайних літій-іонних акумуляторів, зі стабільною роботою, проте термін служби буде обмежений через структурні проблеми під час вставки та вилучення літій-іонних акумуляторів у великих обсягах.

Виконання восьми основних вимог до восьмикутної батареї є складним завданням. Комерціалізація, здається, зосереджена на рухомій цілі, яка завжди на десятиліття попереду, але вчені не здаються. Ось деякі з найперспективніших експериментальних батарей.

Літій-повітряний (Li-air)

Літій-повітряна батарея відкриває нові захопливі горизонти, оскільки ця батарея обіцяє зберігати набагато більше енергії, ніж це можливо за допомогою сучасних літій-іонних технологій. Вчені запозичили цю ідею у цинк-повітряної батареї та паливного елемента, змушуючи батарею «дихати» повітрям. В батареї використовується каталітичний повітряний катод, який постачає кисень, електроліт та літій-анод.

Теоретична питома енергія літій-повітря становить 13 кВт·год/кг. Також випробовується алюміній-повітряний акумулятор, і він трохи нижчий – 8 кВт·год/кг. Якби ці енергії дійсно можна було забезпечити, метал-повітряний акумулятор, як його ще називають, був би нарівні з бензином, приблизно за 13 кВт·год/кг. Але навіть якби кінцевий продукт мав лише чверть теоретичної щільності енергії, електродвигун з його ККД понад 90 відсотків компенсував би свою нижчу потужність порівняно з двигуном внутрішнього згоряння тепловим ККД лише 25–30 відсотків.

Літій-повітряний акумулятор був запропонований у 1970-х роках і знову викликав інтерес наприкінці 2000-х років, частково завдяки досягненням у матеріалознавстві та спробам знайти кращий акумулятор для електричної силової установки. Залежно від використаних матеріалів, літій-повітряний акумулятор створює напругу від 1,7 до 3,2 В/елемент. Цю технологію розробляють IBM, MIT, Каліфорнійський університет та інші дослідницькі центри.

Як і у випадку з іншими повітряно-дихаючими акумуляторами, питома потужність може бути низькою, особливо за низьких температур. Чистота повітря також вважається проблемою, оскільки повітря, яким ми дихаємо в наших містах, недостатньо чисте для літій-повітря і потребує фільтрації. Наскільки нам відомо, акумулятор може опинитися в компресорах, насосах і фільтрах, що нагадують паливні елементи, споживаючи 30 відсотків виробленої енергії для допоміжної підтримки, щоб залишатися живою.

Ще однією проблемою є синдром раптової смерті. Літій та кисень утворюють плівки пероксиду літію, що створюють бар'єр, що запобігає руху електронів і призводить до різкого зниження ємності акумулятора. Вчені експериментують з добавками, щоб запобігти утворенню плівки. Термін служби також потребуватиме покращення; лабораторні випробування наразі показують лише 50 циклів.

Літій-метал (Li-metal)

Літій-метал довгий час розглядався як майбутній акумуляторний акумулятор завдяки своїй високій питомій енергії та хорошій здатності до навантаження. Однак неконтрольоване відкладення літію призводить до зростання дендритів, які створюють загрозу безпеці, проникаючи в сепаратор і спричиняючи коротке замикання.

Після кількох невдалих спроб комерціалізувати перезаряджувані літій-металеві акумулятори, дослідження та обмежене виробництво цих акумуляторів тривають. У 2010 році пробний літій-металевий акумулятор ємністю 300 Вт·год/кг був встановлений в експериментальному електромобілі. DBM Energy, німецький виробник цього акумулятора, заявляє про 2500 циклів зарядки, короткий час зарядки та конкурентні ціни, якби акумулятор вироблявся масово.

Audi A2 з цими акумуляторами подолав понад 450 км (284 милі) від Мюнхена до Берліна на одному заряді. Ходять чутки, що автомобіль самознищився внаслідок пожежі під час лабораторних випробувань. Хоча літій-металеві акумулятори пройшли суворі випробування на сертифікацію, їхня довгострокова безпека залишається проблемою, оскільки можуть утворюватися металеві нитки, що можуть спричинити коротке замикання.

Літій-метал має одну з найвищих питомих енергетичних потужностей серед літієвих акумуляторних батарей, що становить 300 Вт·год/кг. Питома енергетична ємність NCA в Tesla S 85 становить 250 Вт·год/кг, LMO в BMW i3 — 120 Вт·год/кг, а аналогічний хімічний склад у Nissan Leaf — 80 Вт·год/кг. Акумулятори BMW i3 та Leaf виготовлені для забезпечення високої міцності; Tesla досягає цього за рахунок збільшення розміру.

Рішення для пригнічення росту дендритів може бути знайдено найближчим часом. Для отримання бездендритних відкладень на літій-металевих акумуляторах проводяться випробування з додаванням наноалмазів як добавки до електроліту. Це працює за принципом, що літій воліє поглинатися поверхнею алмаза, що призводить до рівномірного відкладення та покращеної циклічної продуктивності. Випробування показали стабільну циклічну роботу протягом 200 годин, але цього не буде достатньо для споживчих застосувань, таких як мобільні телефони та ноутбуки. У поєднанні з дослідницькою роботою, літій-металеві акумулятори можуть потребувати інших запобіжних заходів, включаючи негорючі електроліти, безпечніші матеріали електродів та міцніші сепаратори.

Досягається прогрес у розробці літій-металевих анодів, і комерціалізація вже не за горами. На рисунку 1 показано щільність енергії елементів різних анодних матеріалів у порівнянні з вибраними катодними матеріалами.

Рисунок 1: Густина енергії для різних анодних матеріалів

Твердотільний літій

Багато досліджень і розробок проводиться з різними твердофазними електролітами, такими як електроліти на основі неорганічних оксидів та сульфідів, а також полімерні та композитні тверді електроліти. Кожен тип твердофазного електроліту має труднощі у досягненні технологічної зрілості, і поки що не спостерігається чіткого домінування на ринку та переможної технології.

Сучасні літій-іонні акумулятори використовують графітовий анод, що зменшує питому енергію. Твердотільні технології замінюють графіт чистим літієм, а рідкий електроліт, просочений пористим сепаратором, — твердим полімером або керамічним сепаратором. Це нагадує літій-полімерні акумулятори 1970 року, виробництво яких було знято з міркувань безпеки та продуктивності.

Твердотільні батареї мають схожість з літій-металевими, і вчені намагаються подолати проблему утворення металевих ниток (дендритів) навіть за допомогою сухих полімерних та керамічних сепараторів. Додатковими проблемами є низька провідність за низьких температур, складність діагностики проблем усередині елемента та низька кількість циклів. Повідомляється, що твердотільні прототипи досягають лише 100 циклів.

Твердотільні акумулятори обіцяють зберігати вдвічі більше енергії порівняно зі звичайними літій-іонними, але їхня ємність може бути низькою, що робить їх менш придатними для електричних силових агрегатів та застосувань, що потребують високих струмів. Цільовими сферами застосування є вирівнювання навантаження для відновлюваних джерел енергії, а також для електромобілів, використовуючи короткий час зарядки, який дозволяє цей акумулятор. Дослідницькі лабораторії, включаючи Bosch, прогнозують, що твердотільні акумулятори можуть стати комерційно доступними до 2020 року та впроваджуватися в автомобілі у 2025 році.

Уряди винагороджують компанії, які проводять дослідження твердотільних акумуляторів, великими грантами. Лабораторні звіти можуть похвалитися високою питомою енергією та чудовою безпекою завдяки відсутності легкозаймистого електроліту, але експерти з акумуляторів ще не переконані в його життєздатності замінити літій-іонний акумулятор. Відомий спеціаліст з акумуляторів каже: «Я не розумію, як твердотільний літій-іонний акумулятор можна виготовити економічно ефективним способом, щоб конкурувати з літій-іонним, використовуючи рідкий електроліт, з точки зору вартості за кВт⋅год, довговічності та безпеки». Твердотільні акумулятори, як правило, мають високий внутрішній імпеданс, погані низькотемпературні характеристики та схильні до росту дендритів.

Літій-сірчаний (Li-S)

Завдяки низькій атомній вазі літію та помірній вазі сірки, літій-сірчані акумулятори пропонують дуже високу питому енергію 550 Вт·год/кг, що приблизно втричі більше, ніж у літій-іонних. Li-S також має пристойну питому потужність 2500 Вт/кг. Під час розряду літій розчиняється з поверхні анода та перевертає свою природу під час заряджання, осідаючи назад на анод. Li-S має напругу елемента 2,10 В, пропонує хороші характеристики розряду за низьких температур і може заряджатися при –60°C (–76°F). Акумулятор екологічно чистий; сірка, основний інгредієнт, є у великій кількості. Кажуть, що ціна може досягти 250 доларів США за кВт·год.

Типовий літій-іонний акумулятор має графітовий анод, який містить іони літію, подібно до того, як готель реєструє гостей. Під час розрядки акумулятор вивільняє іони на катод, імітуючи ранковий виїзд гостей. У Li-S графіт замінюється металевим літієм, каталізатором, який забезпечує подвійну функцію як електрода та постачальника іонів літію. Літій-S акумулятор позбавляється «мертвої ваги», замінюючи катод з оксиду металу, який використовується в літій-іонному акумуляторі, на дешевшу та легшу сірку. Сірка має додаткову перевагу подвійного резервування атомів літію, чого літій-іонний акумулятор не може зробити.

Проблемою літій-сірчаних сполук є обмежений термін служби циклів, що становить лише 40–50 зарядів/розрядів, оскільки сірка втрачається під час циклів, віддаляючись від катода та реагуючи з літієвим анодом. Випробувальні лабораторії зараз повідомляють про покращення, досягнувши 200 циклів. Інші проблеми - це погана провідність, деградація сірчаного катода з часом та низька стабільність за вищих температур. З 2007 року інженери Стенфорда експериментують з нанодротом. Також проводяться випробування з графеном з багатообіцяючими результатами.

Іон натрію (Na-іон)

Натрій-іонні акумулятори представляють собою можливу дешевшу альтернативу літій-іонним, оскільки натрій недорогий та легкодоступний. Відійшовши наприкінці 1980-х років на користь літію, натрій-іонні акумулятори мають перевагу в тому, що їх можна повністю розрядити, не стикаючись із навантаженнями, типовими для інших акумуляторних систем. Акумулятор також можна транспортувати без необхідності дотримуватися правил перевезення небезпечних вантажів. Деякі елементи мають напругу 3,6 В, а питома енергія становить близько 90 Вт·год/кг, а вартість за кВт·год подібна до вартості свинцево-кислотного акумулятора. Потрібні подальші розробки для покращення кількості циклів розрядки/розрядки та вирішення проблеми значного об'ємного розширення, коли акумулятор повністю заряджений.

Літій-марганець-залізофосфат (LMFP)

Кажуть, що літій-марганцево-залізо-фосфатна система збільшує ємність до 15% порівняно зі звичайною літій-фосфатною системою LiFePO4. Середня робоча напруга становить 4,0 В, питома енергія — 135 Вт·год/кг, а термін служби — 5000 циклів. Економічна вартість та безпека — це інші переваги, що робить цей акумулятор кандидатом для електричної силової установки.

Сухий акумуляторний електрод

Компанія Maxwell Technology розробила сухий електрод для акумулятора, який може збільшити питому енергію літій-іонного акумулятора на 50% до 300 Вт·год/кг з потенціалом до 500 Вт·год/кг при зазначеній економії коштів у виробництві. Maxwell запозичує метод сухого покриття з виробництва суперконденсаторів. Дані про продуктивність ще не опубліковані. Більше інформації має стати доступною після того, як Tesla, Inc. придбала Maxwell.

Батарейні монітори

Відстежуй основні показники акумуляторів та будь у курсі стану твого акб

Батарейний монітор Victron BMV-700

Монітор підходить для AGM, GEL, а також літієвих батарей LiFePO4, і вимірює напругу, струм, спожиту ємність, час до розрядження, а також може опціонально відображати температуру батареї.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A

Це інтелектуальний шунт з функціями повноцінного батарейного монітору, який підключається до вашого смартфона або GX-пристрою через вбудований Bluetooth або VE.Direct порт.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A IP65

Вдосконалена версія популярного SmartShunt, розроблена для використання у вологих, пилових або морських умовах, з повним захистом корпусу за стандартом IP65

Купити

Подивитися більше