Электрический аккумулятор. Строение и принцип работы.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Для того чтобы ясно понять суть работы электрических аккумуляторов, давайте разберёмся с его устройством и общим принципом действия. И так — в основу работы всех химических источников электропитания заложены две составляющие: это пара электродов и электролит. Всё это находится в ёмкости, которая служит корпусом для электрического аккумулятора.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (в твёрдых веществах, это электроны, а в жидких и газообразных, это ионы). Ток не может существовать без воздействия электродвижущей силы Э.Д.С. (разности потенциалов или напряжения). Значит, между электродами что-то должно создавать эту Э.Д.С. А создаёт её следующий процесс!

И так, у нас имеется сосуд с двумя электродами, погружённых в жидкий электролит. С точки зрения химии, в этом сосуде происходит растворение одного электрода (под действием кислотной или щелочной среды электролита) и восстановление (отложение слоя) другого. При этом от растворяющегося электрода (металла) отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.

На другом же электроде будет происходить противоположный процесс, те ионы, которые были оторваны от первого, переходят на второй, неся в себе положительный заряд и постоянно прибавляя его к электроду. Весь этот химический процесс окислительно-восстановительной реакции сопровождается превращением одних веществ в другие, при заряде, и взаимообратный, при разряде электрического аккумулятора.

В итоге получается, что под воздействием внешнего источника электрического поля (в случае процесса заряда) мы принудительно превращаем одни вещества в другие, а при подключении к клеммам электрической нагрузки (создавая тем самым замкнутую цепь), мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, по средствам обратного химического превращения веществ. Следует заметить, что электролит в этой электрохимической системе является переносчиком положительного заряда (ионов, оторванных от электрода), и они перемещаются внутри самого аккумулятора. А отрицательный заряд (то есть электроны) будет транспортироваться по внешней цепи, вне аккумулятора.

устройство, разновидности, назначение, принцип работы

Аккумулятор представляет собой устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество. Его используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций. Разряжается – снова заряжают. Применяются аккумуляторы в качестве автономных и резервных источников питания для электротехнического оборудования и различных устройств.

Устройство аккумулятора

В автомобилях обычно применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Рассмотрим их устройство.

Все элементы располагаются в корпусе, который изготавливают из полипропилена. Корпус состоит из емкости, разделенной на шесть ячеек, и крышки, оснащенной дренажной системой для стравливания давления и отвода газа. На крышку выводится два полюса (клеммы) – положительный и отрицательный.

Содержимое каждой ячейки представляет собой пакет из 16 свинцовых пластин, полярность которых чередуется. Восемь положительных пластин, объединенных бареткой, являются плюсовым электродом (катодом), восемь отрицательных – минусовым (анодом). Каждый электрод выводится к соответствующей клемме аккумулятора.

Пакеты пластин в ячейках погружены в электролит – раствор серной кислоты и воды плотностью 1,28 г/см3.

Между пластинами электродов, для предотвращения замыкания, вставлены сепараторы – пористые пластины, которые не препятствуют циркуляции электролита и не взаимодействуют с ним.

Отдельная пластина электрода – это решетка из металлического свинца, в которую впрессован (намазан) реагент. Активная масса катода – диоксид свинца (PbO2), анода – губчатый свинец.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

Читайте также, как правильно выбрать аккумулятор по емкости, особенности литий-ионных и никиль-кадмиевых аккмуляторов

Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?

Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?

 

   Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей — электромобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Сегодня мы заглянем внутрь тяговой аккумуляторной батареи электромобиля Tesla Model S,  узнаем, как она устроена и раскроем магию успеха этой  аккумуляторной батареи.

 

   Поставка батарей клиентам осуществляется в таких вот ящиках из ОСБ.

   Самая крупная и дорогая запчасть для Tesla Model S – блок тяговой аккумуляторной батареи.

   Блок тяговой аккумуляторной батареи находится в днище автомобиля (по сути это пол электромобиля — машины), за счёт чего Tesla Model S имеет очень низкий центр тяжести и великолепную управляемость. Батарея крепится к силовой части кузова при помощи мощных кронштейнов (см. фото ниже) или выполняет роль силовой – несущей части кузова авто.

 

 

      По данным североамериканского Агентства по защите окружающей US Environmental Protection Agency (EPA) одного заряда тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи Tesla с номинальным напряжением 400В DC, ёмкостью 85 кВт·ч хватает на 265 миль (426 км) пробега, что позволяет преодолевать наибольшую дистанцию среди подобных электромобилей. При этом от 0 до 100 км/ч подобная машина разгоняется всего за 4,4 секунды.

 

   Секрет успеха Tesla Model S – это высокоэффективные цилиндрические литий-ионные батареи высокой энергоёмкости, поставщик базовых элементов известная японская фирма Panasonic.  Вокруг этих батарей ходит немало слухов.

                                             Один из них – это не влезай, убьёт!

   Один из владельцев и энтузиастов Tesla Model S из США решил полностью разобрать использованную батарею для Tesla Model S энергоёмкостью 85 кВт·ч, чтобы детально изучить её конструкцию. Кстати, её стоимость, как запчасти, в США составляет 12 000 USD.

   Сверху блок батареи размещено тепло и звука изоляционное покрытие, которое закрывается толстой полиэтиленовой плёнкой. Снимаем это покрытие, в виде ковра и готовимся к разборке. Для работы с батареей необходимо иметь изолированный инструмент и пользоваться резиновой обувью, и резиновыми защитными перчатками.

 

                                                                     

                                            Батарея Tesla. Разбираем!

    Тяговая аккумуляторная батарея Tesla (блок тяговой аккумуляторной батареи) состоит 16 батарейных модулей, каждый  номинальным напряжением 25В (исполнение батарейного блока — IP56). Шестнадцать батарейных модулей соединены последовательно в батарею с номинальным напряжением 400В. Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic (вес одного аккумулятора 46 г), которые соединены по схеме 6s74p (6 элементов последовательно и 74 таких групп параллельно). Всего в тяговой аккумуляторной батарее Tesla – 7104 таких элементов (аккумуляторов). Батарея защищена от окружающей среды посредством использования металлического корпуса с алюминиевой крышкой. На внутренней стороне общей алюминиевой крышки имеются пластиковые накладки, в виде плёнки. Общая алюминиевая крышка крепится винтами с металлическими, и резиновыми прокладками, которые герметизируются, дополнительно силиконовым герметиком.  Блок тяговой аккумуляторной батареи разделен на 14 отсеков, в каждом отсеке размещен батарейный модуль. В каждом отсеке сверху и снизу батарейных модулей размещены листы прессованной слюды. Листы слюды обеспечивают хорошую изоляцию батареи электрическую, и тепловую от корпуса электромобиля. Отдельно спереди батареи под своей крышкой размещены два таких же батарейных модуля. В каждом из 16 батарейных модулей имеется встроенный блок BMU, который соединён с общей системой BMS, которая управляет работой, следит за параметрами, а так же обеспечивает защиту всей аккумуляторной батареи. Общие выводные клеммы (терминал) находится в задней части блока тяговой батареи.

  

 

   До того, как полностью её разобрать, было замерено электрическое напряжение (оно составили около 313,8В), что говорит о том, что батарея разряжена, но находится в рабочем состоянии.

   Батарейные модули отличается высокой плотностью элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic, которые там размещены и точностью подгонки деталей. Весь процесс сборки на заводе Tesla проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов, выдерживается даже определенная температура и влажность.

   Каждый батарейный модуль  состоит из 444 элементов (аккумуляторов), которые по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками  — это литий-ионные цилиндрические аккумуляторы 18650, производства компании Panasonic. Энергоемкость каждого батарейного модуля из таких элементов составляет 5,3 кВт·ч.

   В аккумуляторах 18650 Panasonic положительный электрод — графит, а отрицательный электрод — никель, кобальт и оксид алюминия.

   Тяговая аккумуляторная батарея Tesla весит 540 кг, а её размеры равны 210 см в длину, 150 см в ширину, и 15 см в толщину. Количество энергии (5,3 кВт·ч), вырабатываемой всего одним блоком (из 16 батарейных модулей), равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от 100 портативных компьютеров. К минусу каждого элемента (аккумулятора) в качестве соединителя припаяна проволочка (внешний токовый ограничитель), который при превышении тока (или при коротком замыкании) сгорает и защищает цепь, при этом не работает только группа (из 6 аккумуляторов), в которой был этот элемент, все остальные аккумуляторы продолжают работать.

   Тяговая аккумуляторная батарея Tesla охлаждается и подогревается с помощью жидкостной системы на основе антифриза.

   При сборке своих батарей Тесла применяет элементы (аккумуляторы), произведенные компанией Panasonic в различных странах, таких, как Индия, КНР и Мексика. Финальная доработка и размещение в корпус батарейного отсека, производятся в Соединенных Штатах. Компания Tesla предоставляет гарантийной обслуживание своей продукции (в том числе и  аккумуляторной батареи) на срок до 8 лет.

  На фото (сверху) элементы — аккумуляторы 18650 Panasonic (завальцовка у элементов со стороны плюса «+»).

  Таким образом, мы узнали, из чего состоит тяговая аккумуляторная батарея Tesla Model S.

Благодарим за внимание!

MacBook Air – Спецификации – Apple (RU)

Особенности MacBook Air, которые помогают снизить воздействие на окружающую среду.

⁵

Отчёт о воздействии MacBook Air на окружающую среду

Тщательно отобранные материалы

• Для производства корпуса используется только переработанный алюминий⁶
• Для пайки материнской платы устройства применяется только переработанное олово
• Пластик, используемый для производства различных компонентов, как минимум на 35% является переработанным

Энергоэффективность

• Устройство отвечает стандарту⁷ ENERGY STAR®

Химические инновации

⁸

• Стекло дисплея не содержит мышьяка
• Устройство не содержит ртути
• Не содержит бромированных огнестойких добавок, ПВХ и бериллия

Экологически чистое производство

• Программа нулевого уровня отходов Apple помогает поставщикам работать без захоронения отходов
• При производстве продукции Apple все заводы по сборке готовых устройств переходят на использование исключительно возобновляемых источников энергии

Экологичная упаковка

• Используемое первичное древесное волокно поступает только из рационально управляемых лесных хозяйств
• Упаковка произведена в основном из древесного волокна и пригодна для вторичной переработки

Apple и окружающая среда

Мы стремимся производить свои продукты без дополнительной добычи полезных ископаемых, а к 2030 году — стать полностью углеродно нейтральной компанией, включая все производственные процессы.

Ознакомьтесь с позицией Apple

надежные аккумуляторы (АКБ), для авто Российского производства

Аккумуляторы Российского производства эталонного качества – все это про продукцию компании «Тубор». Инновационные технологии, соответствующие стандартам XXI века, открывают новый мир надежности и долговечности аккумуляторов, предназначенных для использования во всех видах автотехники и водного транспорта.

Основа нашего стратегического плана развития – государственная программа импортозамещения. Мы производим Российские аккумуляторы, соответствующие международным стандартам качества, используя отечественное сырье и технологии. Аккумуляторы российского производства – шаг в высокотехнологичное будущее страны!

Российские аккумуляторы производства компании «Тубор» — это сочетание безупречного качества сборки, передовых технологий и накопленных знаний об нюансах изготовления АКБ. Наш богатый ассортимент продукции удовлетворяет спрос на всех уровнях: от крупных автоконцернов до частных лиц, нуждающихся в замене аккумуляторов.

Разработка и производство аккумуляторов ведется по установленным стандартам или утвержденным заказчиком проектам в зависимости от особенностей дальнейшей эксплуатации.

«Тубор» — это проверенный и надежный поставщик аккумуляторов по всей России и в страны СНГ. Нам доверяют крупнейшие автоконцерны и производители автотехники:

• FORD SOLLERS
• RENAULT-NISSAN GROUP
• VW RUS
• KIA /HYUNDAI MOTORS
• BELGEE
• Группа ГАЗ
• ПТЗ
• Кировский Тракторный Завод

Особенности производства аккумуляторов в компании «Тубор»

На нашем предприятии вы можете купить аккумуляторы российского производства, изготовленные по следующим технологиям:

• Ca/Ca (SLI) – традиционная технология изготовления аккумуляторов с жидким электролитом. Рассчитаны на стандартную эксплуатацию без перегрузок. Обладают стандартными характеристиками и быстрым зарядом.

• EFB – новая технология изготовления кальциевых АКБ, применяемая для двигателей с системой Start/Stop и сочетающая в себе все преимущества SLI и AGM аккумуляторов. Обладает повышенной плотностью активной массы и пускового тока. Изготавливаются в соответствии с ОЕМ.

• GEL считается самой совершенной технологией АКБ. Герметичная конструкция, практически нулевое газовыделение, устойчивость к циклированию и работа при низком уровне заряда.

Приобретайте аккумуляторы российского производства в «Тубор»!

Обратитесь к нам и закажите аккумуляторы, соответствующие вашим потребностям. Для каждого клиента мы обеспечим индивидуальный подход, предложим лучшую цену и самые комфортные условия сотрудничества!

Адреса розничных магазинов аккумуляторов (АКБ)

Возможность купить аккумуляторную батарею (АКБ) для автомобиля или другого типа транспорта от производителя по лучшей цене теперь есть у каждого! Также Вы сможете сдать свой старый аккумулятор и получить скидку на новый.

Мы будем рады видеть Вас в сети наших розничных магазинов, звоните прямо сейчас, и наш консультант поможет подобрать нужную модель АКБ и сообщит, когда Вы сможете забрать Ваш новый аккумулятор.

Чем отличается тяговый аккумулятор от стартерного

Современные аккумуляторные батареи изготавливают в различных типах, конструкциях, используются разные химические составы внутреннего строения. Один из наиболее популярных аккумуляторов – стартерный АКБ, используемый преимущественно на автомобилях. Однако современные производители предлагают новый тип батареи – тяговый, который многие пользователи часто путают со стартерным видом. Существуют ли принципиальные различия между двумя типа батарей? Можно ли заменять одну модель другой?

Стартерные аккумуляторы: ключевые особенности

Предназначение данного вида АКБ – запуск двигателя автомобиля, двигательных конструкций других механизмов. Батареи дают необходимый ток на стартер, который запускает автомобильный или любой другой двигатель. В специальной терминологии такой ток получил название «пусковой».

Стартерные батареи обладают тремя ключевыми характеристиками:

• непосредственно показатели тока, которые колеблются между 250 и 1000 Амперами;
• напряжение стартерной батареи – зачастую примерно 12.7В;
• один из ключевых показателей – батарейная емкость, измеряемая единицей Ампер-часы. Многие автомобили оснащены аккумуляторами емкостью от 55 до 65 А-ч.

Основная особенность работы таких аккумуляторов – это чувствительность к глубоким разрядам. Автомобильные специалисты не рекомендуют пользователям допускать ситуации, когда батарея разряжается ниже 10В. Несколько десятков таких разрядов приведут к тому, что стартерный АКБ можно будет просто выбросить.

Иными словами, если говорить предельно просто, стартерный аккумулятор – устройство, отдающее мощный ток стартеру автомобиля, который запускает двигатель. Остальное время такая модель просто заряжается, восполняя затраченную энергию.

Тяговые аккумуляторы: основные характеристики

Это принципиально другой тип аккумуляторных батарей, хотя им оснащаются различные двигательные механизмы, автомобили. Большую популярность данные АКБ имеют для установки в электрокары, различную специальную технику (например, складские погрузчики, тягачи, электромоторные лодки).

Главное отличие от стартерных батарей – это принцип работы тяговых аккумуляторов. Данные модели не отличаются серьезными пусковыми токами, так как их работа рассчитана на принципиально другой режим. Тяговые АКБ заточены под длительную работу, постоянно отдавая энергию для какой-либо техники. Таким образом, их использование – это длительное, непрерывное питание энергией различных механизмов, установок.

Конструктивные различия

Классический АКБ – это сплошной корпус, внутри которого располагаются главные элементы (электролитное вещество, электродные пластины). Тяговые модели представляют собой совершенно иную конструкцию. Они выполнены в форме моноблока. Внутри этого моноблока располагаются несколько батарей по 2В, каждая из которых взаимодействует между собой. Собственно, пользователь может выбрать батарею любого напряжения – два вольта, четыре, шесть, восемь. Наиболее популярные сегодня – модели на 12В.

Схожесть между тяговыми и стартерными АКБ – это наличие внутренних электродных пластин (анод, катод), электролитного вещества. Электролит обоих моделей может представлять собой кислотный раствор или же быть гелевым. Однако особое внимание следует обратить на пластины электродов. Классические батарейные модели оснащены тонкими пластинами. Если заглянуть внутрь тяговых аккумуляторов, то здесь мы увидим принципиально другую картину: электродные пластины выполнены большими, толстыми.

Собственно, теперь понятно для чего создается моноблочная секционная конструкция тяговых АКБ. Кроме того, толстые, большие пластины меньше изнашиваются, делают работу более долговечной. Однако претерпевает изменение корпус данных моделей. Он также изготовлен более толстым, чтобы выдержать вес, объем внушительных по размерам электродов. Иногда производители используют альтернативные материалы изготовления корпусов. На замену классическому пластику идут специальное стекло, эбонит, керамика.

Использование тягового АКБ вместо стартерного

Теоретически такую замену произвести можно. Однако не забывайте, что тяговые аккумуляторные модели имеют меньшую мощность пускового тока. Для стартера вашего автомобиля может просто не хватить данной энергии. Разумеется, можно приобрести модель на 300 Ампер. Именно столько необходимо обычному автомобилю для запуска. Однако вспомните, что собой представляет такой аккумулятор по конструкции – массивный многосекционный моноблок. Установить тяговый аккумулятор на автомобиль зачастую не представляется возможным из-за его внушительных габаритов.

 

Особенности гелевых аккумуляторов

Популярность гелевых аккумуляторов растёт

В настоящее время популярность использования гелевых аккумуляторов существенно выросла. Значительное количество преимуществ этого типа батарей привело к использованию гелевых АКБ в устройствах различного типа. Гелевые аккумуляторы применяются на автомобильном и железнодорожном транспорте, в системах питания охранных и пожарных систем, для питания оборудования наблюдения и компьютерного оборудования. Эффективность использования гелевых АКБ для обеспечения бесперебойного питания систем отопления и водоснабжения также высока.

Особенности конструкции гелевого аккумулятора

В отличии от привычных нам свинцово-кислотных аккумуляторов, в конструкции гелевого аккумулятора используется не жидкий электролит, а специальный гель. Гель образуется путем введения специального стабилизатора в жидкий электролит.

Особенности конструкции и технологических решений гелевого аккумулятора определяет отдельный список особенностей эксплуатации таких АКБ.

Гелевые аккумуляторы. Особенности эксплуатации

Многие пользователи считают, что гелевый аккумулятор не может кипеть. Это — миф. Гелевый аккумулятор может кипеть, но визуально это происходит несколько иначе. По причине того, что в гелевых АКБ электролит находится в состоянии геля, то сильного выделения газа на поверхности электролита наблюдать сложно. Однако, если нагрузка на гелевый АКБ выше номинальной, то процесс кипения аккумулятора начинается. На первом этапе пузырьки газа образуются в местах контакта с металлическими пластинами. В отличии от АКБ с жидким электролитом, в этих аккумуляторах пузырьки сразу не могут подняться к верху, они начинают собираться в группы и разрастаться. При этом растёт давление внутри гелевого аккумулятора. При превышении критического давления срабатывает защитный клапан, лишний газ вырывается наружу с характерным громким звуком. Для моделей гелевых АКБ без защитного газового клапана такая ситуация может закончиться взрывом. По этой причине необходимо следить за уровнем заряда АКБ и режимами заряда батареи.

Вторая отличительная особенность эксплуатации гелевых аккумуляторов — это высокая чувствительность АКБ к нарушениям режимов заряда. Превышение силы тока заряда или превышение значения напряжения заряда приводит к быстрому выходу гелевых АКБ из строя. По этой причине для заряда гелевых аккумулятор требуются специальные зарядные устройства, учитывающие особенности строения и режимов работы таких батарей. Как правило, такие зарядные устройства используют многоступенчатый режим заряда аккумулятора. Мы рекомендуем для эффективного заряда, восстановления и тренировки гелевых аккумуляторов использовать специальный прибор SKAT-UTTV.

Третья отличительная особенность гелевых аккумуляторов — это возможность работы при низких температурах. При низких температурах гелевые аккумуляторы достаточно долго могут держать заряд. Однако возможность выдать сразу большой ток в условиях низких температур резко падает. Поэтому при работе с большими пусковыми токами следует использовать специальные устройства для подогрева аккумуляторных батарей.

Четвертая отличительная особенность гелевых аккумуляторов — это возможность работы длительное время, большой срок эксплуатации, возможность осуществлять большое число циклов заряда и разряда. Чтобы ваш гелевый аккумулятор прослужил много лет, необходимо содержать его в полной чистоте и своевременно осуществлять тренировку аккумулятора. Для тренировки можно использовать принудительный разряд АКБ путём принудительного включения нагрузки или применять специальное оборудование за тренировки АКБ.

Пятая отличительная особенность гелевых аккумуляторов — это высокая чувствительность к короткому замыканию. Даже очень небольшое короткое замыкание может полностью вывести гелевый аккумулятор из строя. Поэтому при использовании таких АКБ необходимо осуществлять надёжную защиту аккумулятора от короткого замыкания. В случае использования гелевых аккумуляторов в источниках бесперебойного питания, такие ИБП должны иметь эффективную электронную защиту от короткого замыкания в цепи.

Читайте также:
Структурная батарея

, работающая в 10 раз лучше, чем все предыдущие версии

Структурные аккумуляторные композиты не могут хранить столько же энергии, как литий-ионные батареи, но обладают рядом характеристик, которые делают их очень привлекательными для использования в транспортных средствах и других приложениях. Когда батарея становится частью несущей конструкции, масса батареи по существу «исчезает». Предоставлено: Йен Страндквист / Технологический университет Чалмерса,

.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса создали структурную батарею, которая работает в десять раз лучше, чем все предыдущие версии.Он содержит углеродное волокно, которое одновременно служит электродом, проводником и несущим материалом. Их последний научный прорыв открывает путь к практически безмассовому хранению энергии в транспортных средствах и других технологиях.

Аккумуляторы в современных электромобилях составляют значительную часть веса транспортных средств, не выполняя никакой несущей функции. С другой стороны, структурная батарея — это батарея, которая работает и как источник энергии, и как часть конструкции, например, в кузове автомобиля.Это называется «безмассовым» накопителем энергии, потому что, по сути, вес аккумулятора исчезает, когда он становится частью несущей конструкции. Расчеты показывают, что этот тип многофункционального аккумулятора может значительно снизить вес электромобиля.

Разработка структурных батарей в Технологическом университете Чалмерса продолжалась в течение многих лет исследований, включая предыдущие открытия, связанные с определенными типами углеродного волокна. Помимо того, что они жесткие и прочные, они также обладают хорошей способностью накапливать электрическую энергию химическим способом.Эта работа была названа Physics World одним из десяти крупнейших научных достижений 2018 года.

Первая попытка создать конструктивную батарею была предпринята еще в 2007 году, но до сих пор оказалось трудно производить батареи с хорошими электрическими и механическими свойствами.

Доктор Джоанна Сюй с недавно изготовленным структурным элементом батареи в лаборатории композитов Чалмерса, который она показывает Лейфу Аспу. Ячейка состоит из электрода из углеродного волокна и электрода из фосфата лития и железа, разделенных стекловолоконной тканью, пропитанных структурным электролитом батареи для комбинированной механической и электрической функции.Три структурные батареи были соединены последовательно и ламинированы как часть более крупного композитного ламината. Каждый структурный аккумуляторный элемент имеет номинальное напряжение 2,8 В. Ламинат имеет общее напряжение 8,4 В и жесткость в плоскости чуть более 28 ГПа. Предоставлено: Маркус Фолино, Технологический университет Чалмерса,

.

Но теперь разработка сделала реальный шаг вперед: исследователи из Чалмерса в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом KTH в Стокгольме представили структурную батарею со свойствами, которые намного превосходят все, что когда-либо было замечено, с точки зрения хранения электроэнергии, жесткости и сила.Его многофункциональные характеристики в десять раз выше, чем у предыдущих прототипов структурных батарей.

Батарея имеет плотность энергии 24 Втч / кг, что означает примерно 20-процентную емкость по сравнению с сопоставимыми литий-ионными батареями, доступными в настоящее время. Но поскольку вес транспортных средств может быть значительно уменьшен, для управления электромобилем потребуется меньше энергии, а меньшая плотность энергии также приведет к повышению безопасности. А с жесткостью 25 ГПа структурная батарея действительно может конкурировать со многими другими широко используемыми строительными материалами.

«Предыдущие попытки создать структурные батареи привели к получению элементов либо с хорошими механическими свойствами, либо с хорошими электрическими свойствами. Но здесь, используя углеродное волокно, нам удалось спроектировать структурную батарею с конкурентоспособной емкостью хранения энергии и жесткостью », — объясняет Лейф Асп, профессор Chalmers и руководитель проекта.

Сверхлегкие электрические велосипеды и бытовая электроника скоро могут стать реальностью

Новая батарея имеет отрицательный электрод из углеродного волокна и положительный электрод из алюминиевой фольги, покрытой фосфатом лития-железа.Они разделены стеклотканью в матрице электролита. Несмотря на свой успех в создании структурной батареи, в десять раз лучше, чем все предыдущие, исследователи не выбирали материалы, чтобы попытаться побить рекорды — скорее, они хотели исследовать и понять влияние структуры материала и толщины разделителя.

В настоящее время реализуется новый проект, финансируемый Шведским национальным космическим агентством, в котором характеристики структурной батареи будут еще больше увеличены.Алюминиевая фольга будет заменена углеродным волокном в качестве несущего материала в положительном электроде, обеспечивая как повышенную жесткость, так и плотность энергии. Сепаратор из стекловолокна будет заменен ультратонким вариантом, который даст гораздо больший эффект, а также более быстрые циклы зарядки. Ожидается, что новый проект будет завершен в течение двух лет.

Лейф Асп, который также возглавляет этот проект, оценивает, что такая батарея может достичь плотности энергии 75 Втч / кг и жесткости 75 ГПа.Это сделало бы батарею такой же прочной, как алюминий, но при сравнительно меньшем весе.

Лейф Асп, профессор кафедры промышленных наук и материаловедения Технологического университета Чалмерса. Он опубликовал свою первую статью о структурных батареях в 2010 году, и теперь ему удалось продемонстрировать многофункциональные характеристики, которые в десять раз выше, чем у любого предыдущего прототипа структурной батареи. Предоставлено: Маркус Фолино, Технологический университет Чалмерса,

.

«Структурная батарея следующего поколения имеет фантастический потенциал.Если вы посмотрите на потребительские технологии, то через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут намного компактнее », — говорит Лейф Асп.

И в более долгосрочной перспективе вполне возможно, что электромобили, электрические самолеты и спутники будут спроектированы с использованием структурных батарей и питаться от них.

«Здесь мы ограничены только нашим воображением. Мы получили много внимания со стороны самых разных компаний в связи с публикацией наших научных статей в этой области.Понятно, что эти легкие и многофункциональные материалы вызывают большой интерес », — говорит Лейф Асп.

Ссылка: «Структурная батарея и ее многофункциональность» Лейфа Э. Аспа, Карла Бутона, Дэвида Карлстедта, Шанхонг Дуана, Росс Харден, Вильгельма Йоханниссона, Маркуса Йохансена, Матса К.Г. Йоханссона, Горана Линдберга, Фанг Лю, Кевина Певота, Линна. М. Шнайдер, Йоханна Сюй и Дэн Зенкерт, 27 января 2021 г., Advanced Energy & Sustainability Research .
DOI: 10.1002 / aesr.202000093

Подробнее о: Исследования конструкционных аккумуляторов

В конструкционной батарее в качестве отрицательного электрода используется углеродное волокно, а в качестве положительного электрода — алюминиевая фольга, покрытая фосфатом лития-железа. Углеродное волокно служит хозяином для лития и, таким образом, накапливает энергию. Поскольку углеродное волокно также проводит электроны, отпадает необходимость в медных и серебряных проводниках, что еще больше снижает вес. И углеродное волокно, и алюминиевая фольга способствуют механическим свойствам структурной батареи.Два материала электродов разделены стекловолоконной тканью в матрице структурного электролита. Задача электролита — транспортировать ионы лития между двумя электродами батареи, а также передавать механические нагрузки между углеродными волокнами и другими частями.

Проект осуществляется в сотрудничестве между Технологическим университетом Чалмерса и Королевским технологическим институтом KTH, двумя крупнейшими техническими университетами Швеции. Аккумуляторный электролит был разработан в KTH.В проекте участвуют исследователи из пяти различных дисциплин: механика материалов, материаловедение, легкие конструкции, прикладная электрохимия и технология волокон и полимеров. Финансирование поступило от исследовательской программы Европейской комиссии Clean Sky II, а также от ВВС США.

Батареи будущего невесомы и невидимы

Известные аэрокосмические компании, такие как Airbus, и стартапы, такие как Zunum, уже много лет работают над электрификацией пассажирских самолетов.Но даже если они добьются успеха, упаковка самолета, наполненного обычными батареями, несет в себе серьезные риски для безопасности. Короткое замыкание в большой аккумуляторной батарее может вызвать серьезный пожар или взрыв. «Аэрокосмический сектор очень консервативен, и они опасаются комплектовать самолеты этими действительно мощными батареями», — говорит Гринхал. Новый химический состав аккумуляторов, включая твердые электролиты, может снизить риск, но удовлетворение огромных энергетических потребностей пассажирского самолета по-прежнему является серьезной проблемой, которую можно решить с помощью структурных аккумуляторов.

В рамках проекта Sorcerer Асп и его коллеги создали структурные батареи из тонких слоев углеродного волокна, которые, возможно, можно было бы использовать для создания частей кабины или крыльев самолета. Экспериментальные батареи, разработанные командой Sorcerer, значительно улучшили механические свойства и плотность энергии по сравнению с батареями, которые они производили в рамках инициативы Storage десятью годами ранее. «Теперь мы можем производить материалы, которые имеют не менее 20–30 процентов как емкости накопления энергии, так и механической емкости систем, которые мы хотим заменить», — говорит Асп.«Это огромный прогресс».

Но технические проблемы — это только половина дела, когда речь идет о доставке структурных батарей из лаборатории в реальный мир. Как автомобильная, так и авиационная промышленность жестко регулируются, и производители часто работают с небольшой прибылью. Это означает, что внедрение новых материалов в автомобили и самолеты требует демонстрации их безопасности регулирующим органам и их превосходных характеристик для производителей.

По мере того, как структурная батарея заряжается и разряжается, ионы лития перемещаются внутрь и наружу катодов из углеродного волокна, что изменяет их форму и механические свойства.Для производителей и регулирующих органов важно иметь возможность точно предсказать, как эти структурные батареи будут реагировать, когда они будут использоваться, и как это повлияет на характеристики транспортных средств, которыми они питаются. С этой целью Гринхал и Асп создают математические модели, которые точно покажут, как структура транспортных средств, построенных из этих батарей, изменяется во время использования. Асп говорит, что, вероятно, пройдет более десяти лет, прежде чем структурные батареи будут развернуты в транспортных средствах из-за их значительных требований к мощности и нормативных требований.Он прогнозирует, что до того, как это произойдет, они станут обычным явлением в бытовой электронике.

Цзе Сяо, главный научный сотрудник и менеджер группы «Батареи и материалы» Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, соглашается. Она считает, что особенно многообещающая и часто упускаемая из виду область применения — это микроэлектроника. Это устройства, которые удобно помещаются на кончике вашего пальца и особенно полезны для медицинских имплантатов. Но сначала должен быть способ привести их в действие.

«Структурные батареи чрезвычайно полезны для микроэлектроники, потому что их объем очень ограничен», — говорит Сяо. Хотя можно уменьшить размеры обычных батарей до размера рисового зерна, эти элементы по-прежнему занимают ценное место в микроэлектронике. Но структурные батареи не занимают больше места, чем само устройство. В PNNL Сяо и ее коллеги изучали некоторые фундаментальные вопросы, связанные с конструкцией микробатареи, например, как поддерживать выравнивание между электродами при изгибе или скручивании структурной батареи.«С точки зрения дизайна очень важно, чтобы положительный и отрицательный электроды были обращены друг к другу», — говорит Сяо. «Таким образом, даже если мы можем воспользоваться пустотами, если эти электроды не выровнены, они не будут участвовать в химической реакции. Таким образом, это ограничивает конструкции структурных батарей неправильной формы ».

Сяо и ее команда работали над несколькими нишевыми научными приложениями для микроструктурных батарей, такими как инъекционные метки для отслеживания лосося и летучих мышей. Но она говорит, что пройдет еще некоторое время, прежде чем они найдут широкое применение в таких новых технологиях, как электронная кожа для протезирования.В то же время структурные батареи могут стать благом для энергоемких роботов. В лаборатории в кампусе Анн-Арбор в Мичиганском университете химик и инженер-химик Николас Котов наблюдает за зверинцем небольших биомиметических роботов, которые он разработал вместе со своими аспирантами. «Организмы распределяют запасы энергии по всему телу, выполняя двойные или тройные функции», — говорит Котов. «Жир — отличный тому пример. В нем много энергии. Вопрос в том, как это воспроизвести? »

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей.Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько это досягаемо для их кабелей, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не были батареи, а использовались в основном для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому, Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапы лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, когда их ткнули зондом из другого металла.Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: куча цинковых и серебряных листов, перемежаемых тканью или бумагой, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в сваях, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли с из , а где-то электроны текли с по .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при соединении) с серебром, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять пару химических реакций. На аноде электрод реагирует с электролитом в реакции, в которой образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородный полуреактион имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашего элемента, который в основном представляет собой напряжение элемента.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем, что электроны притягиваются к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов разные материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Итак, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании батареи возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке аккумулятора не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки приводит к еще большему ухудшению состояния электродов, а это означает, что аккумулятор со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы заряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет оттягивать электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости аккумулятора, и помнить, для чего он будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. В случае с батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) могут использоваться в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано множество различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю на века. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных батарей), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах.Для дальнейшего чтения ознакомьтесь с типами аккумуляторов, литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторов будущего.

DOE объясняет … Батареи | Министерство энергетики

Батареи и аналогичные устройства принимают, хранят и отпускают электроэнергию по запросу. Батареи используют химию в форме химического потенциала для хранения энергии, как и многие другие повседневные источники энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях, пока при горении энергия не преобразуется в тепло. Бензин — это запасенная химическая потенциальная энергия, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля.Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем оно может быть легко сохранено. Батареи состоят из двух электрических клемм, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Чтобы принимать и высвобождать энергию, батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как одновременно ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся через электролит. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении через цепь и электролит.Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, таким образом заряжая аккумулятор; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электрическую цепь и разряжают батарею. Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы уравновесить заряд электронов, проходящих через внешнюю цепь, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки аккумулятор может быть отключен от цепи для хранения химической потенциальной энергии для последующего использования в качестве электричества.

Батареи были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных аккумуляторов электроэнергии. Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в аккумуляторных батареях, потому что они не полностью меняются, когда батарея заряжается и разряжается.Со временем отсутствие полной замены может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи.

Департамент науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики США

Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики США и Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в хранении электроэнергии. Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея.Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в нашу систему электроснабжения. Поскольку усовершенствование аккумуляторных технологий имеет важное значение для повсеместного использования подключаемых к электросети электромобилей, хранение также является ключом к уменьшению нашей зависимости от нефти при транспортировке.

BES поддерживает исследования отдельных ученых и в многопрофильных центрах. Самый крупный центр — Объединенный центр исследований в области накопления энергии (JCESR), центр энергетических инноваций Министерства энергетики США. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов.Эти новые знания позволят ученым разработать более безопасные накопители энергии, которые служат дольше, заряжаются быстрее и обладают большей емкостью. По мере того как ученые, поддерживаемые программой BES, достигают новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для продвижения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности.

Факты о хранении электрической энергии

• Нобелевская премия по химии 2019 г. была присуждена совместно Джону Б.Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино «за разработку литий-ионных батарей».
• Электролитный геном в JCESR создал вычислительную базу данных с более чем 26 000 молекул, которую можно использовать для расчета ключевых свойств электролита для новых, усовершенствованных аккумуляторов.

Ресурсы и связанные термины

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки.В нем также описывается, как эти концепции применимы к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях во всем научном спектре.

Шведский университет разрабатывает структурную батарею из углеродного волокна

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции заявили о «большом прорыве» в разработке батареи, которая может функционировать как по конструкции, так и как источник питания.

Несущие батареи разрабатываются совместно с Королевским технологическим институтом KTH для использования в самолетостроении, транспортных средствах и строительстве.

Структурные батареи, которые также известны как безмассовые накопители энергии, призваны значительно снизить вес транспортных средств с батарейным питанием или других объектов за счет включения батарей в структуру объекта. Таким образом, потребность в отдельных батареях снижается или, возможно, даже устраняется.

Это может привести к значительному повышению эффективности. Например, более легкий электромобиль потребует меньше энергии для движения при прочих равных условиях.

Разработка «сделала реальный шаг вперед»

Для того, чтобы батареи были жизнеспособными, они должны обеспечивать как питание, так и структурную целостность.По данным Технологического университета Чалмерса, последний прототип превосходит по запасам энергии, жесткости и прочности все его предыдущие модели.

«Первая попытка создать конструктивную батарею была предпринята еще в 2007 году, но до сих пор оказалось трудно производить батареи с хорошими электрическими и механическими свойствами», — пояснили в университете.

Профессора Йоханна Сюй (слева) и Лейф Асп (справа) держат прототип структурной батареи

«Но теперь разработка сделала реальный шаг вперед: исследователи из Чалмерса в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом KTH в Стокгольме представили структурную батарею. со свойствами, которые намного превосходят все, что мы видели, с точки зрения хранения электроэнергии, жесткости и прочности.«

Углеродное волокно — прорыв

По данным университета, прорыв был достигнут благодаря использованию углеродных волокон в качестве отрицательного электрода батареи, который накапливает и высвобождает ионы лития, которые создают электрическую энергию.

Ионы текут от отрицательного электрода к положительному электроду, который в этой модели батареи изготовлен из алюминиевой фольги, покрытой фосфатом лития-железа.

Электроды разделены стекловолоконной тканью внутри электролитической матрицы, которая помогает перемещению ионов.

Изображение батареи от Йена Страндквиста

Углеродное волокно было выбрано, поскольку оно может функционировать как хранилище химической энергии и как проводник, устраняя потребность в других материалах и уменьшая общий вес батареи. Он также чрезвычайно силен.

«Предыдущие попытки создать структурные батареи привели к получению элементов либо с хорошими механическими свойствами, либо с хорошими электрическими свойствами», — добавил Лейф Асп, профессор Технологического университета Чалмерса.

«Но здесь, используя углеродное волокно, нам удалось разработать конструктивную батарею с конкурентоспособной емкостью накопления энергии и жесткостью.«

Батарея может заменить обычные строительные материалы

Последняя модель батареи имеет плотность энергии 24 ватт-часов на килограмм по сравнению с 60-90 ватт-часами на килограмм для обычных литий-ионных батарей.

Его жесткость составляет 25 гигапаскалей, по сравнению с примерно 75 гигапаскалями для алюминия, что, по словам университета, означает, что «структурная батарея действительно может конкурировать со многими широко используемыми строительными материалами».

Энергосберегающие бетонные кирпичи могут стать ключом к распространению возобновляемых источников энергии

В настоящее время в стадии реализации находится проект по разработке батареи для достижения удельной энергии 75 ватт-часов на килограмм и жесткости 75 гигапаскалей.

При финансовой поддержке Шведского национального космического агентства ожидается, что это будет достигнуто за счет замены алюминиевой фольги положительного электрода на большее количество углеродного волокна и утончения сепаратора.

Модель может использоваться в электрических самолетах

«Структурная батарея следующего поколения имеет фантастический потенциал», — сказал Асп.

«Если вы посмотрите на потребительские технологии, через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут намного компактнее», — пояснил он.

«И в более долгосрочной перспективе вполне возможно, что электромобили, электрические самолеты и спутники будут спроектированы с использованием структурных батарей и питаться от них».

IBM предлагает надежную замену литий-ионной батарее

Швейцарский стартап Energy Vault недавно разработал экологически чистое и экономичное решение для хранения, основанное на перемещении бетонных кирпичей. Он долговечнее, чем батареи, и более универсален, чем гидроэлектростанция.

В другом месте IBM недавно разработала батарею, не содержащую кобальта, никеля и других тяжелых металлов, чтобы избежать проблем с окружающей средой, связанных с литий-ионной технологией.

Фотография сделана Маркусом Фолино, любезно предоставлена ​​Технологическим университетом Чалмерса.

Литий-ионный аккумулятор, самонагревающийся при низких температурах

Литий-ионные аккумуляторы сильно теряют мощность при температурах ниже нуля градусов Цельсия, что ограничивает их использование в таких приложениях, как электромобили в холодном климате и высотные дроны ^{1, 2} .Практические последствия такой потери мощности заключаются в необходимости использования более крупных и дорогих аккумуляторных батарей для запуска двигателя холодным коленчатым валом, медленной зарядки в холодную погоду, ограничения рекуперативного торможения и уменьшения запаса хода транспортного средства на целых 40% ³ . Предыдущие попытки улучшить низкотемпературные характеристики литий-ионных батарей ⁴ были сосредоточены на разработке добавок для улучшения низкотемпературных характеристик электролитов ^5,6 , а также на внешнем нагреве и изоляции элементов ^{7,8, 9} .Здесь мы сообщаем о структуре литий-ионной батареи, элементе «климатической батареи», который нагревается до температуры ниже нуля градусов по Цельсию, не требуя внешних нагревательных устройств или добавок к электролиту. Механизм самонагрева создает электрохимический интерфейс, который способствует высокой мощности разряда / заряда. Мы показываем, что внутренний разогрев такой ячейки до нуля градусов Цельсия происходит в течение 20 секунд при минус 20 градусах Цельсия и в течение 30 секунд при минус 30 градусах Цельсия, потребляя только 3.8% и 5,5% емкости ячеек соответственно. Самонагревающийся всеклиматический аккумуляторный элемент обеспечивает мощность разряда / регенерации 1061/1425 Вт на килограмм при 50-процентном уровне заряда и при минус 30 градусах Цельсия, обеспечивая в 6,4–12,3 раз большую мощность, чем в современном состоянии. -арт литий-ионные элементы. Мы ожидаем, что универсальная аккумуляторная батарея позволит использовать технологию остановки и запуска двигателя, позволяющую экономить 5–10 процентов топлива для 80 миллионов новых автомобилей, производимых ежегодно ¹⁰ . Учитывая, что только небольшая часть энергии батареи используется для самонагревания, мы предполагаем, что всеклиматический аккумуляторный элемент также может оказаться полезным для подключаемых к электросети электромобилей, робототехники и приложений для исследования космоса.

Конструкция литиевой батареи 3 различных форм

В настоящее время существует три основных типа основных структур литиевых батарей, а именно цилиндрические, прямоугольные и карманные элементы. Различная структура литиевых батарей означает разные характеристики, и у каждой есть свои преимущества и недостатки.

1. Цилиндрическая конструкция литиевой батареи

Круглая литиевая батарея относится к цилиндрической литиевой батарее. Поскольку история цилиндрической литиевой батареи 18650 довольно длинная, скорость проникновения на рынок очень высока.Цилиндрическая литиевая батарея использует различные отработанные процессы замены, степень автоматизации высока, а массоперенос продукта стабильный. Стоимость относительно невысока. Цилиндрические литиевые батареи доступны в различных моделях, обычно 14650, 17490, 18650, 21700, 26650 и т. Д. Литий-ионные батареи широко используются в литиевых батареях в Японии и Южной Корее. В Китае также есть крупные предприятия, производящие литиевые цилиндрические батареи.

С дальнейшим расширением рынка электромобилей и постоянным улучшением дальности плавания производители транспортных средств выдвинули более высокие требования к плотности энергии, стоимости производства, сроку службы и дополнительным характеристикам аккумуляторной батареи.

2. Прямоугольная конструкция литиевой батареи

Прямоугольная литиевая батарея обычно относится к прямоугольной батарее с алюминиевым или стальным корпусом. Скорость расширения прямоугольной батареи очень высока в Китае. Это рост количества автомобильных аккумуляторных батарей в последние годы. Разница между запасом хода автомобиля и емкостью аккумулятора становится все более очевидной. Прямоугольная батарея с алюминиевым корпусом и высокой плотностью энергии батареи главным образом объясняется простотой конструкции прямоугольной батареи, в отличие от цилиндрической батареи, в которой используется высокопрочная нержавеющая сталь в качестве корпуса и аксессуаров, таких как взрывозащищенные предохранительные клапаны, в целом вес аксессуара легкий.Относительная плотность энергии выше. Прямоугольные батареи имеют два разных процесса: наматывание и ламинирование.

Однако, поскольку прямоугольные литиевые батареи можно настроить в соответствии с размером продуктов, на рынке представлены тысячи моделей, и из-за слишком большого количества моделей процесс трудно унифицировать. Прямоугольные батареи не проблема для использования в обычных электронных продуктах, но для продуктов промышленного оборудования, требующих нескольких цепочек и параллелей, лучше всего использовать стандартизированное производство вставленных литиевых батарей.Этот производственный процесс гарантирован, и позже будет легче найти альтернативу. аккумулятор.

3. Подсумок для ячеек

Ключевые материалы, используемые в ячейках мешка — положительные материалы, материалы анодов и сепараторы — мало отличаются от традиционных литиевых батарей из стали и алюминия. Самое большое отличие — это гибкий упаковочный материал (композитная пленка из алюминия и пластика). Это наиболее ответственный и технически сложный материал в ячейках мешочка. Гибкий упаковочный материал обычно делится на три слоя, а именно на внешний резистивный слой (обычно внешний защитный слой, состоящий из нейлона БОПА или ПЭТ), барьерный слой (промежуточная алюминиевая фольга) и внутренний слой (многофункциональный высокобарьерный слой).Упаковочный материал и структура ячейки мешочка дает ему ряд преимуществ.

3.1 Показатели безопасности

Пакет-ячейка упакован в алюминиевую пластиковую пленку. Когда возникает проблема безопасности, ячейка мешка обычно разрывается на части, в отличие от стальной или алюминиевой оболочки.

3,2 Облегченный

Вес ячейки

на 40% легче, чем у литиевой батареи со стальным корпусом такой же емкости, и на 20% легче, чем у литиевой батареи с алюминиевым корпусом.

3,3 Внутреннее сопротивление небольшое

, а внутреннее сопротивление ячейки пакета меньше, чем у литиевой батареи, что может значительно снизить собственное потребление батареи.

3.4 Производительность цикла хорошая

Для увеличения срока службы ячеек пакета и затухания 100 циклов на 4-7% меньше, чем у алюминиевого корпуса.

3.5 Гибкая конструкция

переменной формы и любая форма может быть тоньше, например:

● Ультратонкая батарея ● Изогнутая батарея ● Круглые батареи ● Треугольная батарея ● Шестигранная батарея ● Ультратонкая батарея ● Батарея в форме C ● Батарея в форме D ● Многоугольная батарея ● Прямоугольная батарея

Мы можем разработать и разработать новые модели аккумуляторов в соответствии с потребностями клиентов.

Недостатками пакетной ячейки являются плохая консистенция, высокая стоимость и легкая утечка жидкости. Высокая стоимость может быть решена за счет крупносерийного производства, а утечка может быть решена за счет улучшения качества алюминиево-пластиковой пленки.

4. Сравнительный анализ технических характеристик

4.1 Форма батареи

Прямоугольные литиевые батареи могут быть любого размера, поэтому они не сопоставимы с цилиндрическими батареями.

4.2 Тарифные характеристики

Цилиндрическая литиевая батарея для пайки многополюсных ограничений процесса, поэтому скоростные характеристики немного хуже, чем у прямоугольного многополюсного решения

4.3 Разгрузочная платформа

Используются тот же материал положительного электрода, материал отрицательного электрода и электролит, поэтому теоретическая платформа разряда согласована, но внутреннее сопротивление прямоугольной батареи немного доминирует, поэтому платформа разряда немного выше.

4.4 Качество продукции

Процесс изготовления цилиндрических литиевых батарей является очень зрелым, вероятность вторичного дефекта разрезания мала, а процесс намотки выше зрелости и автоматизации процесса ламинирования.Процесс ламинирования пока идет в полуавтоматическом режиме, поэтому на качество аккумулятора есть негативные последствия.

4,5 Приварка лапки

Цилиндрические полюсы литиевых батарей легче паять, чем прямоугольные литиевые батареи, а прямоугольные батареи склонны к тому, что паяные соединения ухудшают качество батареи.

4.6 Группировка упаковки

Круглая батарея относительно проста в использовании, поэтому схема упаковки проста, эффект рассеивания тепла хороший, а прямоугольный батарейный блок должен решить проблему рассеивания тепла.

4.7 Конструктивные особенности

, химическая активность прямоугольной батареи низка, а производительность батареи при длительном использовании более очевидна.

Короче говоря, будь то цилиндрические, прямоугольные или карманные ячейки, текущее быстрое развитие связано с тем, что они хорошо применяются в соответствующих областях применения. Отечественные производители аккумуляторов прогнозируют, что прямоугольник станет основным элементом аккумуляторов, но производитель приложений для аккумуляторов, представленный GREPOW, постоянно вводит новшества в технологии, плотность энергии аккумуляторов постоянно улучшается, а характеристики аккумуляторов становятся более превосходными.

Если вас интересуют наши продукты, не стесняйтесь обращаться к нам в любое время!
Эл.