В поисках супербатареи: вызовы и реальность

Количество конференций, посвященных аккумуляторам, растет, но повестка дня похожа — изображение супербатареи, которой еще не существует. Получив грант в размере 120 миллионов долларов от Министерства энергетики США, Объединенный центр исследований накопления энергии (JCESR) хочет разработать аккумулятор, который будет «в пять раз мощнее и в пять раз дешевле современных систем за пять лет». Они называют это планом 5-5-5. Университеты также вовлечены, но производители аккумуляторов намного дальше. Добавки, которые в значительной степени влияют на производительность, держатся в секрете каждым производителем.

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

Купить

Посмотреть больше

Toyota уже искала супербатарею в 1925 году. Они назвали ее «батареей Сакити» в честь Сакити Тоёды, изобретателя японского механического ткацкого станка и основателя Toyota Motors. Его часто называют отцом японской промышленной революции. Говорят, что господин Тоёда пообещал еще не полученный приз в размере 1 миллиона иен за аккумуляторную батарею, которая производит больше энергии, чем бензин. Чтобы претендовать на приз, аккумулятор Сакити должен быть прочным и быстро заряжаться.

Препятствия на пути к инновациям

Прогресс достигнут, но не без препятствий. Литий-воздушный аккумулятор, предложенный в 1970-х годах с теоретической удельной энергией, напоминающей бензин, откладывается из-за проблем с чистотой воздуха; городской воздух, которым «дышит» аккумулятор, недостаточно чист. Перспективный литий-металлический аккумулятор, представленный в 1980-х годах, все еще образует дендриты, что приводит к бурным событиям с пламенем в случае короткого замыкания. Много говорят о твердотельном аккумуляторе, который имеет сходство с литий-металлическим, но ученые также должны решить проблему дендритов, а также улучшить низкую проводимость при более низких температурах и короткий срок службы. Литий-серный аккумулятор может быть близок к коммерциализации, но короткий срок службы также создает проблемы для этой системы. Окислительно-восстановительный аккумулятор может предложить решение для больших аккумуляторных систем, перекачивая «заряженные» жидкости из внешних резервуаров через мембрану, но этот аккумулятор, подобный нефтеперерабатывающему заводу, страдает от коррозии. Существует проблеск надежды для литий-ионного аккумулятора путем покрытия анода графеном, слоем толщиной всего в один атом. Говорят, что это увеличивает емкость в четыре раза, но такой аккумулятор все еще очень далек.

Что на самом деле нужно пользователям?

В рамках опроса консалтинговая фирма спросила меня, какие улучшения пользователи аккумуляторов хотят видеть в них, и предоставила мне список вариантов на выбор. Будет ли это увеличение плотности энергии на 25 процентов; увеличение скорости разряда на 25 процентов; улучшение температурного диапазона и безопасности на 25 процентов; или это будет уменьшение размера и веса на 25 процентов?

Я объяснил, что лучшая батарея зависит не только от таких усовершенствований, но и от знания работы каждой батареи в полевых условиях. Об этом редко упоминают, и один биомедицинский техник сказал: «Аккумуляторы – это компоненты, которые чаще всего изнашиваются; персонал мало заботится о них и делает лишь самое необходимое для их обслуживания». Он добавил, что «указания по обслуживанию аккумуляторов расплывчаты и спрятаны глубоко в инструкциях по эксплуатации».

Проблемные зоны по версии FDA

Изучая использование батарей в здравоохранении, я наткнулся на опрос FDA США, в котором говорится, что «до 50 процентов обращений в службу поддержки в опрошенных больницах связаны с проблемами с батареями». Учреждения, такие как FDA, осознают нехватку надзора за аккумуляторами критически важных устройств и определили три проблемные области, которые они пытаются решить:

Критические сферы применения

Аккумуляторы в армии также выходят из строя, и часто без предупреждения. Современный солдат носит с собой рации, GPS-устройства, смартфоны, очки ночного видения, инфракрасные прицелы, фонарики и оборудование для борьбы с самодельными взрывными устройствами. Это примерно семь типов аккумуляторов, по 10 комплектов каждый для 72-часовой миссии весом около 9 кг (20 фунтов) на солдата. Отчеты показывают, что аккумуляторы стали второй по величине статьей расходов после боеприпасов. Без периодических проверок работоспособности солдаты будут носить камни вместо аккумуляторов.

Другие области применения, где необходимо контролировать состояние аккумулятора, – это дроны и роботы. Дроны энергоемко используют аккумулятор, а его емкость быстро падает, что сокращает время полета. Поскольку дроны используются для многих уникальных коммерческих приложений, обслуживание парка не может ограничиваться только знанием состояния заряда, но и фиксацией состояния исправности, то есть возможностей накопления энергии на основе емкости. Знание ожидаемого времени полета предотвратит аварию дорогостоящего аппарата во время более длительной, чем ожидалось, миссии, борьбе со встречным ветром или попытке второй посадки.

Основные показатели состояния аккумулятора

Аккумулятор должен подвергаться такому же обращению, как и критическая деталь в самолете или машине, износ которой подпадает под строгие правила технического обслуживания. Например, срок службы реактивного двигателя измеряется в летных часах и летных циклах. Один цикл включает взлет и посадку, а Airbus 330 требует технического обслуживания после 200-400 таких циклов.

Такая процедура не применяется к аккумулятору, поскольку принятые нормы испытаний не установлены. Аудиторы, осуществляющие контроль качества, избегают такого решения и проверяют только внешний вид; состояние дел в основном игнорируется. Это позволяет вышедшим из строя аккумуляторам удобно прятаться среди своих более сильных аналогов. Аккумулятор имеет особые привилегии и избегает проверок. Если он выходит из строя во время критической миссии, это считается неконтролируемым событием.

Большинство поломок, случающихся во время чрезвычайных ситуаций, вызваны слабыми аккумуляторами, поскольку более интенсивное, чем обычно, использование преждевременно их истощает. Емкость как мера оценки производительности и индикации конца срока службы плохо изучена. Когда пользователя аккумулятора спрашивают: «При какой емкости вы заменяете аккумулятор?», большинство озадаченно отвечает: «Простите?»

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

Посмотреть больше

Основными показателями состояния аккумулятора являются: [1] емкость, которая накапливает энергию, [2] внутреннее сопротивление, которое обеспечивает подачу тока, и [3] саморазряд, который отражает механическую целостность и выявляет повреждения, связанные с нагрузкой. При среднем использовании литий-ионный аккумулятор обеспечивает от 300 до 500 полных циклов разряда, прежде чем емкость падает примерно до 80 процентов, что означает конец срока службы. Низкая емкость является самой распространенной причиной поломки; уровень емкости также служит ориентиром, когда аккумулятор следует заменить.

Будущее за разумным управлением

Хотя улучшение производительности аккумулятора важно – и высокая посещаемость семинаров по аккумуляторам это доказывает – недостаточно внимания уделяется аккумулятору, когда он вступает в активную службу. Разработка продукта и одобрение агентством – это лишь предэксплуатационные услуги, как и обучение молодежи. Хотя это важно для построения карьеры, рабочая сила, которая следует за этим, является доказательством выносливости. Старение и снижение емкости аккумуляторов так же неизбежны, как смерть и налоги, – замечание Бенджамина Франклина, сделанное в 1789 году.

Диагностика и мониторинг аккумуляторов отставали от других технологий, но промышленная революция в аккумуляторах уже в процессе. В 1970-х годах в мире были компьютеры, но мало программного обеспечения. Билл Гейтс изменил это с помощью ПК и общего программного обеспечения. Сегодня мир развивается вокруг аккумуляторов, но ему не хватает надзора как части технологии управления. Будущие системы будут оценивать производительность аккумулятора во время зарядки или с помощью экспресс-теста и сделают результаты прозрачными как для пользователя аккумулятора, так и для менеджера парка техники.