У пошуках супербатареї: виклики та реальність

Кількість конференцій, присвячених акумуляторам, зростає, але порядок денний схожий — зображення супербатареї, якої ще не існує. Отримавши грант у розмірі 120 мільйонів доларів від Міністерства енергетики США, Об'єднаний центр досліджень накопичення енергії (JCESR) хоче розробити акумулятор, який буде «у п'ять разів потужнішим і в п'ять разів дешевшим за сучасні системи за п'ять років». Вони називають це планом 5-5-5. Університети також залучені, але виробники акумуляторів набагато далі. Добавки, які значною мірою впливають на продуктивність, тримаються в таємниці кожним виробником.

Toyota вже шукала супербатарею в 1925 році. Вони назвали її «батареєю Сакічі» на честь Сакічі Тойоди, винахідника японського силового ткацького верстата та засновника Toyota Motors. Його часто називають батьком японської промислової революції. Кажуть, що пан Тойода пообіцяв ще неотриманий приз у розмірі 1 мільйона єн за акумуляторну батарею, яка виробляє більше енергії, ніж бензин. Щоб претендувати на ціну, акумулятор Сакічі повинен бути міцним і швидко заряджатися.

Перешкоди на шляху до інновацій

Прогрес досягнуто, але не без перешкод. Літій-повітряний акумулятор, запропонований у 1970-х роках з теоретичною питомою енергією, що нагадує бензин, відкладається через проблеми з чистотою повітря; міське повітря, яким «дихає» акумулятор, недостатньо чисте. Перспективний літій-металевий акумулятор, представлений у 1980-х роках, все ще утворює дендрити, що призводить до бурхливих подій із полум’ям у разі виникнення короткого замикання. Багато говорять про твердотільний акумулятор, який має схожість з літій-металевим, але вчені також повинні вирішити проблему дендритів, а також покращити низьку провідність за нижчих температур і з коротким терміном служби. Літій-сірка може бути близька до комерціалізації, але короткий термін служби також створює проблеми для цієї системи. Окисно-відновний акумулятор може запропонувати рішення для великих акумуляторних систем, перекачуючи «заряджені» рідини із зовнішніх резервуарів через мембрану, але цей акумулятор, подібний до нафтопереробного заводу, страждає від корозії. Існує проблиск надії для літій-іонного акумулятора шляхом покриття анода графеном, шаром товщиною лише один атом. Кажуть, що це збільшує ємність у чотири рази, але такий акумулятор все ще дуже далеко.

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

Що насправді потрібно користувачам?

В рамках опитування консалтингова фірма запитала мене, які покращення користувачі акумуляторів хочуть бачити в них, і він надав мені список варіантів на вибір. Чи буде це збільшення щільності енергії на 25 відсотків, збільшення швидкості розряду на 25 відсотків; покращення температурного діапазону та безпеки на 25 відсотків, чи це буде зменшення розміру та ваги на 25 відсотків?

Я пояснив, що кращий акумулятор залежить не лише від таких удосконалень, а й від знання роботи кожного акумулятора в польових умовах. Про це рідко згадують, і один біомедичний технік сказав: «Акумулятори – це компоненти, які найчастіше зношуються; персонал мало дбає про них і робить лише найнеобхідніше для їх обслуговування». Він додав, що «посилання на обслуговування акумуляторів є розпливчастими та прихованими глибоко в інструкціях з обслуговування».

Проблемні зони за версією FDA

Перевіряючи використання батарей в охороні здоров'я, я натрапив на опитування FDA США, в якому йдеться, що «до 50 відсотків звернень до служби підтримки в опитаних лікарнях пов'язані з проблемами з батареями». Установи, як FDA, усвідомлюють брак нагляду за акумуляторами критично важливих пристроїв і визначили три проблемні області, які вони намагаються вирішити:

Критичні сфери застосування

Акумулятори у війську також виходять з ладу, і часто без попередження. Сучасний солдат носить із собою рації, GPS-пристрої, смартфони, окуляри нічного бачення, інфрачервоні приціли, ліхтарики та обладнання для боротьби зі саморобними вибуховими пристроями. Це приблизно сім типів акумуляторів, по 10 комплектів кожен для 72-годинної місії вагою близько 9 кг (20 фунтів) на солдата. Звіти свідчать, що акумулятори стали другою за величиною статтею витрат після боєприпасів. Без періодичних перевірок працездатності солдати носитимуть каміння замість акумуляторів, як показано на рисунку 1.

Рисунок 1: Солдат носить каміння замість батарейок.
Батарейки слабшають від використання та віку. Кожен рюкзак потребує періодичної перевірки працездатності, щоб зменшити вагу, яку несе солдат у бою.

Інші способи використання, де необхідно контролювати стан акумулятора – це дрони та роботи. Дрони енергоємно використовують акумулятор, а його ємність швидко розряджається, що скорочує час польоту. Оскільки дрони використовуються для багатьох унікальних комерційних застосувань, обслуговування автопарку не може обмежуватися лише знанням стану заряду, а й фіксацією стану справності, можливостей накопичення енергії на основі ємності. Знання очікуваного часу польоту запобіжить аварії дорогого транспортного засобу під час довшої, ніж очікувалося, місії, боротьбі з зустрічним вітром або спробі другої посадки.

Основні показники стану акумулятора

Акумулятор повинен піддаватися аналогічному поводженню, як і критична деталь у літаку або машині, знос якої підпадає під суворі правила технічного обслуговування. Наприклад, термін служби реактивного двигуна вимірюється в льотних годинах та льотних циклах. Один цикл включає зліт і посадку, а Airbus 330 потребує технічного обслуговування після 200-400 таких циклів.

Така процедура не застосовується до акумулятора, оскільки прийняті норми випробувань не встановлені. Аудитори, які здійснюють контроль якості, уникають такого рішення та перевіряють лише зовнішній вигляд; стан справ здебільшого ігнорується. Це дозволяє акумуляторам, що вийшли з ладу, зручно ховатися серед своїх сильніших аналогів. Акумулятор має особливі привілеї та уникає перевірок. Якщо він виходить з ладу під час критичної місії, це вважається неконтрольованим.

Більшість поломок, що трапляються під час надзвичайних ситуацій, спричинені слабкими акумуляторами, оскільки інтенсивніший, ніж зазвичай, рух транспорту передчасно виснажує їх. Ємність як міра оцінки продуктивності та індикації кінця терміну служби погано вивчена. Коли користувача акумулятора запитують: «При якій ємності ви замінюєте акумулятор?», більшість спантеличено відповідає: «Перепрошую?»

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

Основними показниками стану акумулятора є: [1] ємність, яка накопичує енергію, [2] внутрішній опір, який забезпечує подачу струму, та [3] саморозряд, який відображає механічну цілісність та виявляє пошкодження, пов'язані з навантаженням. При середньому використанні літій-іонний акумулятор забезпечує від 300 до 500 повних циклів розряду, перш ніж ємність падає приблизно до 80 відсотків, що позначає кінець терміну служби. Низька ємність є найпоширенішою причиною поломки; рівень ємності також служить орієнтиром, коли акумулятор слід замінити.

Майбутнє за розумним керуванням

Хоча покращення продуктивності акумулятора є важливим – і висока відвідуваність семінарів з акумуляторів це доводить – недостатньо уваги приділяється акумулятору, коли він вступає в активну службу. Розробка продукту та схвалення агентством – це лише перед експлуатаційні послуги, як і навчання молоді. Хоча це важливо для побудови кар'єри, робоча сила, яка йде за цим, є доказом витривалості. Старіння та зниження ємності акумуляторів такі ж неминучі, як смерть та податки, – зауваження Бенджаміна Франкліна, зроблене в 1789 році.

Діагностика та моніторинг акумуляторів відставали від інших технологій, але промислова революція в акумуляторах вже в процесі. У 1970-х роках у світі були комп'ютери, але мало програмного забезпечення. Білл Гейтс змінив це за допомогою ПК та спільного програмного забезпечення. Сьогодні світ розвивається навколо акумуляторів, але йому бракує нагляду як частини технології керування. Майбутні системи оцінюватимуть продуктивність акумулятора під час заряджання або за допомогою експрес-тесту та зроблять результати прозорими як для користувача акумулятора, так і для менеджера автопарку.