Будущие батареи
Общие проблемы и вызовы
Самыми распространенными аккумуляторными системами сегодня являются литий-ионные и свинцово-кислотные. Но обе системы имеют проблемы и ограничения, которые требуют лучшего решения. Индустрия аккумуляторов переполнена невыполненными обещаниями, но прогресс все еще наблюдается.
Экономичное хранение электроэнергии остается одной из нерешенных проблем современного общества. Поговорка гласит: «Каждое улучшение производительности аккумулятора на 1% расширяет его применение на 10%». Простой принцип показывает: «Стоимость энергии удваивается при хранении в аккумуляторе для повторного использования».
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьДолговечность и ресурс
Что касается долговечности, то в литий-ионных аккумуляторах наблюдается прогресс благодаря использованию монокристаллического катодного материала. Более длительный срок службы и большая емкость обусловлены индустрией электромобилей, которая стремится к 15-летнему сроку службы аккумулятора. Однако, пока мобильные телефоны на потребительском рынке будут использовать распространенные литий-ионные типы, заряжающиеся до максимально допустимого напряжения, срок службы будет коротким.
Удельная энергия и новые аноды
Что касается удельной энергии, анод из кремниевых нанопроводов достигает высокой ватт-часовой плотности (Вт·ч/кг), которая может быть вдвое больше, чем у коммерческих литий-ионных элементов, но структуры на основе кремниевых нанопроводов имеют ограниченный срок службы. Микроразмерные кремниевые островки образуются под массивами нанопроводов вследствие циклического растяжения, что приводит к напряжениям и растрескиванию. Потеря емкости возникает в результате уменьшения контакта с токосъемниками.
Экспериментальные батареи в основном живут в защищенных лабораториях и общаются с внешним миром с помощью многообещающих, но однобоких отчетов, часто для того, чтобы привлечь инвесторов. Некоторые конструкции демонстрируют нереалистичные результаты с ожидаемыми датами выпуска, которые со временем меняются. Большинство концепций исчезают из мира батарей и достойно умирают в лаборатории, и никто не узнает об их смерти.
Финансирование и развитие
Мало какие другие продукты имеют такие же строгие требования, как аккумулятор, а сложность озадачивает венчурных капиталистов, которые успешно преуспели в эру доткомов и ожидают такой же щедрой отдачи от своих инвестиций всего за 3 года, тогда как разработка аккумулятора обычно занимает 10 лет. Большинство венчурных капиталистов не имеют терпения ждать и возвращают деньги, оставляя разработчика в затруднительном положении. Привлечение капитала занимает много времени, и многие стартапы тратят на эту задачу столько же времени и энергии, сколько и на исследования.
Большинство экспериментальных аккумуляторов литиевого семейства имеют одну общую черту: они используют металлический литиевый анод для достижения более высокой удельной энергии, чем это возможно с окисленным катодом в литий-ионных аккумуляторах, которые широко используются сегодня.
Компания Moli Energy первой начала массово производить литий-металлические аккумуляторы в 1980-х годах, но они представляли серьезную угрозу безопасности, поскольку рост литиевых дендритов вызывал короткие замыкания, что приводило к тепловому взрыву. Местная пожарная служба точно знала, куда подать сигнал тревоги на заводе Moli, это был склад аккумуляторов. После того, как в результате утечки газа пользователь аккумулятора получил травму, в 1989 году все литий-металлические аккумуляторы были отозваны. NEC и Tadiran пытались улучшить конструкцию, но с ограниченным успехом. Очень немногие компании производят перезаряжаемые литий-металлические аккумуляторы, и большинство предлагает только первичные версии. Исследования продолжаются, и возможное решение с новыми материалами как частью твердотельного лития может стать доступным.
Исследователи также разработали анодную структуру для литий-ионных аккумуляторов на основе кремний-углеродных нанокомпозитных материалов. Кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графитовый анод, но расширение и сжатие во время зарядки и разрядки делают систему нестабильной. Добавление графита к аноду, как говорят, позволяет достичь теоретической емкости, в пять раз превышающей емкость обычных литий-ионных аккумуляторов, со стабильной работой, однако срок службы будет ограничен из-за структурных проблем при вставке и извлечении ионов лития в больших объемах.
Выполнение восьми основных требований к восьмиугольной батарее является сложной задачей. Коммерциализация, кажется, сосредоточена на движущейся цели, которая всегда на десятилетие впереди, но ученые не сдаются. Вот некоторые из самых перспективных экспериментальных батарей.
Литий-воздушный (Li-air)
Литий-воздушная батарея открывает новые захватывающие горизонты, поскольку эта батарея обещает хранить гораздо больше энергии, чем это возможно с помощью современных литий-ионных технологий. Ученые позаимствовали эту идею у цинк-воздушной батареи и топливного элемента, заставляя батарею «дышать» воздухом. В батарее используется каталитический воздушный катод, который поставляет кислород, электролит и литиевый анод.
Теоретическая удельная энергия литий-воздушной батареи составляет 13 кВт·ч/кг. Также испытывается алюминий-воздушный аккумулятор, и он немного ниже – 8 кВт·ч/кг. Если бы эти энергии действительно можно было обеспечить, металл-воздушный аккумулятор, как его еще называют, был бы наравне с бензином, примерно 13 кВт·ч/кг. Но даже если бы конечный продукт имел лишь четверть теоретической плотности энергии, электродвигатель с его КПД более 90 процентов компенсировал бы свою более низкую мощность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания с тепловым КПД всего 25–30 процентов.
Литий-воздушный аккумулятор был предложен в 1970-х годах и снова вызвал интерес в конце 2000-х, частично благодаря достижениям в материаловедении и попыткам найти лучший аккумулятор для электрических силовых установок. В зависимости от используемых материалов, литий-воздушный аккумулятор создает напряжение от 1,7 до 3,2 В/элемент. Эту технологию разрабатывают IBM, MIT, Калифорнийский университет и другие исследовательские центры.
Как и в случае с другими воздушно-дышащими аккумуляторами, удельная мощность может быть низкой, особенно при низких температурах. Чистота воздуха также считается проблемой, поскольку воздух, которым мы дышим в наших городах, недостаточно чист для литий-воздушной батареи и требует фильтрации. Насколько нам известно, аккумулятор может оказаться окруженным компрессорами, насосами и фильтрами, напоминающими топливные элементы, потребляя 30 процентов произведенной энергии для вспомогательной поддержки, чтобы оставаться в рабочем состоянии.
Еще одной проблемой является синдром внезапной смерти. Литий и кислород образуют пленки пероксида лития, создающие барьер, который препятствует движению электронов и приводит к резкому снижению емкости аккумулятора. Ученые экспериментируют с добавками, чтобы предотвратить образование пленки. Срок службы также потребует улучшения; лабораторные испытания в настоящее время показывают всего 50 циклов.
Литий-металлический (Li-metal)
Литий-металлический аккумулятор долгое время рассматривался как будущий перезаряжаемый аккумулятор благодаря своей высокой удельной энергии и хорошей нагрузочной способности. Однако неконтролируемое отложение лития приводит к росту дендритов, которые создают угрозу безопасности, проникая в сепаратор и вызывая короткое замыкание.
После нескольких неудачных попыток коммерциализировать перезаряжаемые литий-металлические аккумуляторы, исследования и ограниченное производство этих аккумуляторов продолжаются. В 2010 году пробный литий-металлический аккумулятор емкостью 300 Вт·ч/кг был установлен в экспериментальном электромобиле. DBM Energy, немецкий производитель этого аккумулятора, заявляет о 2500 циклах зарядки, коротком времени зарядки и конкурентных ценах, если бы аккумулятор производился массово.
Audi A2 с этими аккумуляторами преодолел более 450 км (284 мили) от Мюнхена до Берлина на одном заряде. Ходят слухи, что автомобиль самоуничтожился в результате пожара во время лабораторных испытаний. Хотя литий-металлические аккумуляторы прошли строгие испытания на сертификацию, их долгосрочная безопасность остается проблемой, поскольку могут образовываться металлические нити, способные вызвать короткое замыкание.
Литий-металлический аккумулятор имеет одну из самых высоких удельных энергоемкостей среди литиевых перезаряжаемых батарей, составляющую 300 Вт·ч/кг. Удельная энергоемкость NCA в Tesla S 85 составляет 250 Вт·ч/кг, LMO в BMW i3 — 120 Вт·ч/кг, а аналогичный химический состав в Nissan Leaf — 80 Вт·ч/кг. Аккумуляторы BMW i3 и Leaf изготовлены для обеспечения высокой прочности; Tesla достигает этого за счет увеличения размера.
Решение для подавления роста дендритов может быть найдено в ближайшее время. Для получения бездендритных отложений на литий-металлических аккумуляторах проводятся испытания с добавлением наноалмазов в качестве добавки к электролиту. Это работает по принципу, что литий предпочитает поглощаться поверхностью алмаза, что приводит к равномерному отложению и улучшенной циклической производительности. Испытания показали стабильную циклическую работу в течение 200 часов, но этого будет недостаточно для потребительских применений, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. В сочетании с исследовательской работой, литий-металлические аккумуляторы могут потребовать других мер предосторожности, включая негорючие электролиты, более безопасные материалы электродов и более прочные сепараторы.
Достигается прогресс в разработке литий-металлических анодов, и коммерциализация уже не за горами. На рисунке 1 показана плотность энергии элементов различных анодных материалов в сравнении с выбранными катодными материалами.
Рисунок 1: Плотность энергии для различных анодных материалов
Твердотельный литий
Много исследований и разработок проводится с различными твердофазными электролитами, такими как электролиты на основе неорганических оксидов и сульфидов, а также полимерные и композитные твердые электролиты. Каждый тип твердофазного электролита сталкивается с трудностями в достижении технологической зрелости, и пока что не наблюдается четкого доминирования на рынке и победившей технологии.
Современные литий-ионные аккумуляторы используют графитовый анод, что уменьшает удельную энергию. Твердотельные технологии заменяют графит чистым литием, а жидкий электролит, пропитанный пористым сепаратором, — твердым полимером или керамическим сепаратором. Это напоминает литий-полимерные аккумуляторы 1970 года, производство которых было прекращено из соображений безопасности и производительности.
Твердотельные батареи имеют сходство с литий-металлическими, и ученые пытаются преодолеть проблему образования металлических нитей (дендритов) даже с помощью сухих полимерных и керамических сепараторов. Дополнительными проблемами являются низкая проводимость при низких температурах, сложность диагностики проблем внутри элемента и малое количество циклов. Сообщается, что твердотельные прототипы достигают всего 100 циклов.
Твердотельные аккумуляторы обещают хранить вдвое больше энергии по сравнению с обычными литий-ионными, но их мощность может быть низкой, что делает их менее подходящими для электрических силовых агрегатов и применений, требующих высоких токов. Целевыми сферами применения являются выравнивание нагрузки для возобновляемых источников энергии, а также для электромобилей, используя короткое время зарядки, которое позволяет этот аккумулятор. Исследовательские лаборатории, включая Bosch, прогнозируют, что твердотельные аккумуляторы могут стать коммерчески доступными к 2020 году и внедряться в автомобили в 2025 году.
Правительства вознаграждают компании, проводящие исследования твердотельных аккумуляторов, крупными грантами. Лабораторные отчеты могут похвастаться высокой удельной энергией и превосходной безопасностью благодаря отсутствию легковоспламеняющегося электролита, но эксперты по аккумуляторам еще не убеждены в его жизнеспособности заменить литий-ионный аккумулятор. Известный специалист по аккумуляторам говорит: «Я не понимаю, как твердотельный литий-ионный аккумулятор можно изготовить экономически эффективным способом, чтобы конкурировать с литий-ионным, использующим жидкий электролит, с точки зрения стоимости за кВт⋅ч, долговечности и безопасности». Твердотельные аккумуляторы, как правило, имеют высокий внутренний импеданс, плохие низкотемпературные характеристики и склонны к росту дендритов.
Литий-серный (Li-S)
Благодаря низкому атомному весу лития и умеренному весу серы, литий-серные аккумуляторы предлагают очень высокую удельную энергию 550 Вт·ч/кг, что примерно втрое больше, чем у литий-ионных. Li-S также имеет приличную удельную мощность 2500 Вт/кг. Во время разряда литий растворяется с поверхности анода и меняет свою природу во время зарядки, осаждаясь обратно на анод. Li-S имеет напряжение элемента 2,10 В, предлагает хорошие характеристики разряда при низких температурах и может заряжаться при –60°C (–76°F). Аккумулятор экологически чистый; сера, основной ингредиент, имеется в большом количестве. Говорят, что цена может достигнуть 250 долларов США за кВт·ч.
Типичный литий-ионный аккумулятор имеет графитовый анод, который содержит ионы лития, подобно тому, как отель регистрирует гостей. Во время разрядки аккумулятор высвобождает ионы на катод, имитируя утренний выезд гостей. В Li-S графит заменяется металлическим литием, катализатором, который выполняет двойную функцию как электрода, так и поставщика ионов лития. Литий-S аккумулятор избавляется от «мертвого веса», заменяя катод из оксида металла, используемый в литий-ионном аккумуляторе, на более дешевую и легкую серу. Сера имеет дополнительное преимущество двойного резервирования атомов лития, чего литий-ионный аккумулятор сделать не может.
Проблемой литий-серных соединений является ограниченный срок службы, составляющий всего 40–50 циклов заряда/разряда, поскольку сера теряется во время циклирования, удаляясь от катода и реагируя с литиевым анодом. Испытательные лаборатории сейчас сообщают об улучшениях, достигнув 200 циклов. Другие проблемы — это плохая проводимость, деградация серного катода со временем и низкая стабильность при более высоких температурах. С 2007 года инженеры Стэнфорда экспериментируют с нанопроволокой. Также проводятся испытания с графеном с многообещающими результатами.
Ион натрия (Na-ion)
Натрий-ионные аккумуляторы представляют собой возможную более дешевую альтернативу литий-ионным, поскольку натрий недорог и легкодоступен. Отойдя на второй план в конце 1980-х годов в пользу лития, натрий-ионные аккумуляторы имеют преимущество в том, что их можно полностью разрядить, не сталкиваясь с нагрузками, типичными для других аккумуляторных систем. Аккумулятор также можно транспортировать без необходимости соблюдать правила перевозки опасных грузов. Некоторые элементы имеют напряжение 3,6 В, а удельная энергия составляет около 90 Вт·ч/кг, а стоимость за кВт·ч сопоставима со стоимостью свинцово-кислотного аккумулятора. Требуются дальнейшие разработки для улучшения количества циклов зарядки/разрядки и решения проблемы значительного объемного расширения, когда аккумулятор полностью заряжен.
Литий-марганец-железо-фосфат (LMFP)
Говорят, что литий-марганцево-железо-фосфатная система увеличивает емкость до 15% по сравнению с обычной литий-фосфатной системой LiFePO4. Среднее рабочее напряжение составляет 4,0 В, удельная энергия — 135 Вт·ч/кг, а срок службы — 5000 циклов. Экономическая стоимость и безопасность — это другие преимущества, что делает этот аккумулятор кандидатом для электрических силовых установок.
Сухой аккумуляторный электрод
Компания Maxwell Technology разработала сухой электрод для аккумулятора, который может увеличить удельную энергию литий-ионного аккумулятора на 50% до 300 Вт·ч/кг с потенциалом до 500 Вт·ч/кг при заявленной экономии средств в производстве. Maxwell заимствует метод сухого покрытия из производства суперконденсаторов. Данные о производительности еще не опубликованы. Больше информации должно стать доступно после того, как Tesla, Inc. приобрела Maxwell.
Батарейные мониторы
Отслеживай основные показатели аккумуляторов и будь в курсе состояния твоего АКБ
Батарейный монитор Victron BMV-700
Монитор подходит для AGM, GEL, а также литиевых батарей LiFePO4, и измеряет напряжение, ток, потреблённую ёмкость, время до разряда, а также может опционально отображать температуру батареи.
Купить
Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A
Это интеллектуальный шунт с функциями полноценного батарейного монитора, который подключается к вашему смартфону или GX-устройству через встроенный Bluetooth или VE.Direct порт.
Купить
Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A IP65
Улучшенная версия популярного SmartShunt, разработанная для использования во влажных, пыльных или морских условиях, с полной защитой корпуса по стандарту IP65.
Купить
