Расчет автономной работы потребителя от аккумуляторов. Калькуляторы
Home » Про акумуляторы • Решения » Расчет автономной работы потребителя от аккумуляторов. Калькуляторы
Опубликовано автором Сергей Леднёв — Про акумуляторы, Решения — Январь 29, 2014Как правильно и корректно рассчитать время автономии, которое необходимо получить для вашего потребителя?
Для простоты мы сделали калькуляторы расчета:
- Расчет количества аккумуляторов по нагрузке и автономии
- Расчет времени автономии по нагрузке
А теперь представим алгоритм расчета:
1) Определяем совокупную мощность нагрузки и постоянный ток разряда.
2) Вычисляем необходимую емкость аккумулятора для заданной автономии.
3) Определяем тип аккумулятора
Дано: две светодиодные ленты мощностью по 10Вт и работающие от 12В. Необходимая автономия: 10ч. Срок службы: год при ежедневной эксплуатации.
Условия эксплуатации: постоянная комнатная температура 20 градусов.
Найти: минимально допустимые и оптимальные аккумуляторы для решения задачи.
Решение
1) Совокупная мощность W=10Вт*2=20Вт. Постоянный ток разряда: I=20/12=1.67A. Для точных расчетов желательно померить ток потребления при помощи мультимера.
2) Для определения необходимой емкости следует пройти по пунктам:
а) Для того, чтобы продержать нагрузку на таком токе разряда необходимо определить минимальную расчетную емкость АКБ: 1,67*10=16,7Ач.
б) Нужно иметь ввиду, что емкость аккумуляторных батарей указывается производителями исходя из определенного времени разряда. Обычно это 10 часов. Но некоторые производители указывают 20 часов. Тут нам поможет спецификация по АКБ, которую можно взять на нашем сайте. Посмотрим спецификацию Delta DTM 1226:
Разрядные характеристики ближайшего планируемого АКБ
В нашем случае, время работы от АКБ 10 часов, значит мы можем считать емкость равной номинальной.
Однако, если в задаче стоит 5 часов, то нужно делать поправку на то, что при таком времени разряда емкость АКБ будет ниже (умножаем ток разряда на часы – 4,8А*5ч=24Ач вместо 28).
в) Далее, нужно учитывать кол-во циклов заряда-разряда, на который мы проектируем систему (из спецификации):
Расчётное количество циклов
В задаче мы можем видеть, что планируемое кол-во циклов у нас 365. Ориентировочная предельная глубина разряда в нашем случае – около 57%. Желательно взять с запасом, будем рассчитывать на 50% разряд (реальные условия эксплуатации отличны от идеальных лабораторных условий).
Таким образом, вводим поправку 0,5: 16,7/0,8=33,4Ач.
г) В случае, если мы имеем дело с отличной от оптимальной температурой эксплуатации (25градусов), необходимо водить поправочный коэффициент, который тоже можем взять из спецификации:
Влияние температуры на емкость аккумулятора
Так при температуре 10 градусов следует ввести коэффициент 0.
9, т.е. ещё +10% к расчётной емкости.
3) В случае, если нам необходимы долгие режимы разряда – следует обратить внимание на серии AGM аккумуляторов популярных на российском рынке производителей:
- У АКБ Delta – серия DTM
- У CSB – GP
- У BB Battery – BC
В случае, если разряд производится высокими токами, но короткое время:
- Delta – серии HR, HRL, FTS
- CSB – HR, HRL
- BB Battery – HR, HRL
Это АКБ оптимизированы на высокую энергоотдачу, хотя и для долгих разрядов они подходят не хуже (они просто дороже). Аккумуляторы по технологии GEL не совсем оптимальны для данной задачи, т.к. заметно дороже, а глубокий разряд хоть и допустим, но резко снижает срок службы.
Ответ: минимально: Delta DTM 1233 (33Ач), оптимально: Delta DTM 1240 (40Ач), либо аналоги.
Похожая статья про способы расчета в нашем блоге: https://tok-shop.ru/tok-blog/time-ups-akb/
Tags:Теория АКБ
Об авторе
Сергей Леднёв
Руководитель комплексных проектов по стабильному и бесперебойному электропитанию.
[email protected]
Пусковой ток аккумулятора
- Все статьи
- Пусковой ток аккумулятора
При выборе аккумулятора нужно учесть несколько важнейших показателей, которые влияют на его мощность и соответствуют конкретной модели автомобиля. Это — габаритные размеры, емкость, полярность. Еще один ключевой показатель — пусковой ток, о котором мы расскажем в данном обзоре.
Распространено мнение, что чем выше пусковой ток аккумулятора, тем лучше. На самом деле это не совсем так.
Определение и важность пускового тока
При всей значимости остальных параметров, важность пускового тока можно выразить в одной фразе: если у него не будет достаточного значения (уровня), то машина попросту не заведется. Особенно — в холода.
Пусковой ток (сокращенно ПТ) АКБ имеет еще одно определение: ток холодной прокрутки. И именно в этом суть.
В двигателе, который пребывает в холодном, не прогретом состоянии, вязкость масла на порядок больше. В самый момент запуска автомобиля стартер вынужден расходовать значительное количество энергии. Для приведения в движение маховика с поршнями необходимо подать от АКБ нужную «порцию» электричества.
Соответственно, если уровень тока холодной прокрутки будет не ниже стандарта, то завести машину можно без проблем.
Какие показатели считаются оптимальными
Показатель напряжения корректно работающей батареи практически неизменен, и равен 12 Вольт. И чем значительнее сила тока, тем выше мощность, которую в состоянии достичь двигатель стартера. Но не нужно гнаться за рекордами. Давайте определим, какой ПТ можно назвать оптимальным.
Пусковой ток — это тот максимум силы тока, который в состоянии отдать аккумулятор, причем, именно в минимальный временной интервал.
Так вот: для запуска двигателя легковой машины среднего класса требуется от 250 до 270 Ампер. Это и есть оптимальное значение ПТ.
Одного, универсального показателя тока не существует. Ведь он зависит от нескольких факторов: в каком климате идет эксплуатация, какова мощность автомобиля, какой тип двигателя.
На юге России ПТ не имеет такого значения, поскольку в условиях повышенных температур масло находится в нужном, жидком состоянии. Прямо противоположна ситуация в северных регионах, где из-за холода вязкость масла возрастает в разы, и требуются повышенные усилия для запуска. А следовательно, и больший пусковой ток.
Считается, что при температуре +5 (плюс-минус несколько градусов) ПТ может не превышать 230 Ампер, и даже быть на 10% меньше!
Если же автомобиль нужно завести при минусовой температуре порядка 15 градусов, потребуется уже 270-300 Ампер.
Оптимальные значения пускового тока — по оценкам экспертов
С учетом того, что бензиновые двигатели потребляют меньше, чем дизельные, в которых выше степень сжатия, можно вывести такую закономерность:
Среднее значение для бензиновых — 260 Ампер.
Среднее число для дизельных — порядка 290 Ампер.
Вот почему можно уверенно говорить о том, что цифра в 300 Ампер будет оптимальной для легкового автомобиля! Данных показателей вполне достаточно.
Если говорить о грузовом транспорте, то средние значения вывести сложнее: грузовые машины имеет большой разброс по мощности. Можно назвать цифру порядка 600-800 Ампер.
Стоит ли выбирать АКБ с большим током?
Существует заблуждение, что чем выше пусковой ток батареи, тем лучше. Те, кто так считает, часто попадаются на маркетинговые «ловушки». Многие производители заинтересованы пиарить АКБ с неоправданно мощными показателями и естественно, высокой ценой.
Так стоит ли вообще брать батареи с ПТ 500 Ампер и выше?
Эксперты отвечают: это не целесообразно!
И для такого заявления есть веские аргументы. Ток свыше 300 Ампер уже является излишеством. Какой смысл покупать батареи с огромным запасом, к тому же переплачивая?
Ну и главное: чем выше пусковой ток, тем меньше проработает батарея.
Так как срок службы аккумуляторов с завышенным током меньше, чем со средним!
Подумайте сами: если вы купите АКБ с ненужным запасом ПТ сверх достаточного значения, то никак не используете «излишки», и к тому же будете вынуждены чаще менять батарею! То есть, чаще платить за новую.
Главный вывод: берите АКБ с пусковым током 250-300 Ампер, так как этих показателей более чем достаточно!
Что влияет на показатели пускового тока
Водители нередко считают, что определенной емкости соответствует тот или иной показатель пускового тока. Это не так.
При анализе аккумуляторных батарей с единым значением емкости, которые произведены в разных странах — выявляется такая особенность, как значительное различие в цифрах ПТ. Причем разница может превышать 35%! С чем это связано?
Ответ однозначен: причина различия кроется в применяемых технологиях. Вот список основных нюансов:
1. Увеличенное количество пластин. Если сравнить одинаковые по размеру корпуса, то лучшие показатели по ПТ будут у АКБ с большим числом пластин;
2.
Использование чистого (или, по-другому, очищенного) свинца. Если он входит в состав (пусть и традиционных) кислотных батарей, это будет способствовать более быстрой зарядке. Озвученное относится и к разрядке. Следовательно, пусковые показатели будут лучше;
3. Повышенная пористость плюсовых пластин. Это приводит к накапливанию большего заряда;
4. Степень испарения электролита, которая напрямую зависит от уровня герметичности корпуса. Запаянные и герметичные АКБ исключают возможность испарения. Благодаря этому, в батарее сохраняется требуемый уровень, а пластины не оголяются;
5. Разница в количестве залитого электролита.
Отдельно стоит выделить применение инноваций. Если анализировать новейшие технологии, то лидерами по показателю отдачи ПТ будут аккумуляторы GEL и конечно, AGM. В данных АКБ показатели доходят до тысячи ампер в интервале 30 секунд. Это значительно больше (а именно в 3, иногда и в 4 раза) традиционных кислотных аналогов.
Но если смотреть объективно (и учитывать основной вывод нашей статьи), такие показатели нужны только для очень мощных джипов или скоростных премиальных авто с запредельными показателями лошадиных сил.
Для средних авто покупка аккумуляторов даже в районе 500 (а тем более выше) Ампер — не имеет смысла: лишние амперы и снижение срока службы АКБ. К тому же, подобные батареи значительно дороже, что не оправдано.
Существует и такое понятие, как увязка со статусом: ведущие производители заявляют о гарантированном качестве (что далеко не всегда соответствует реальности). Зато это всегда сопровождается наценкой за бренд!
Классификация, принятая в мире
В мировой практике можно встретить разные классификации, по которым определяется пусковой ток конкретного аккумулятора. Для удобства разработана система маркировок: обнаружив те или иные буквы, вы сразу поймете, где произведена батарея. К основным классификациям ПТ относятся:
- В Германии — DIN
- В США — SAE
- В странах Европейского союза (за исключением Германии) — EN
- В России, на Украине и некоторых странах бывшего СССР распространены надписи «стартерный ток», а также «пусковой ток».
Если при покупке новой АКБ на корпусе отсутствуют данные показатели (что чрезвычайно редко), цифры пускового тока должны быть в инструкции/буклете.
Методики замеров пускового тока
Когда происходит снижение напряжения, вырастает потребление Ампер. Это взаимосвязанный процесс, и при методиках (вне зависимости от страны) идет фиксация величины потребления. То есть, имитируется пуск и таким образом замеряется значение пускового тока батареи. Что касается процесса охлаждения, он необходим для моделирования ситуации с низкой температурой и суровыми условиями эксплуатации.
— В европейских странах аккумуляторы охлаждают до значительной величины — минус 18 градусов. Затем их специально разряжают — на это отводится десять секунд. Разрядка допускается до показателя в 7,5 Вольт.
— В Германии охлаждение происходит до той же температуры, но на разрядку отводится в три раза больше: полминуты. Отличается и величина разрядки — до 9 Вольт.
— Точно такие же показатели используют в США, исключение составляет только глубина разряда.
Она еще ниже: 7.2 Вольта.
— В России опираются на те же стандарты, что и в Германии: идентичны все показатели.
Мощность и мощность | Все о батареях
Сохранить Подписаться
Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.
После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.
Поскольку это особенно запутанная часть измерения батарей, я собираюсь обсудить ее более подробно.
Мощность – это количество энергии, запасенное в аккумуляторе. Эта мощность часто выражается в ватт-часах (символ Втч ). Ватт-час — это напряжение (В), которое обеспечивает батарея, умноженное на то, сколько тока (Ампер) батарея может обеспечить в течение некоторого времени (обычно в часах). Напряжение * Ампер * час = Втч. Поскольку напряжение в значительной степени фиксировано для типа батареи из-за ее внутреннего химического состава (щелочной, литий, свинцово-кислотный и т.
д.), часто сбоку печатается только измерение ампер*час, выраженное в Ач или мАч (1000 мАч = 1 Ач). Чтобы получить Втч, умножьте Ач на номинальное напряжение. Например, допустим, у нас есть батарея номиналом 3 В с емкостью 1 ампер-час, поэтому ее емкость составляет 3 Втч. 1 Ач означает, что теоретически мы можем потреблять 1 А тока в течение одного часа, или 0,1 А в течение 10 часов, или 0,01 А (также известный как 10 мА) в течение 100 часов.
Однако количество тока, которое мы действительно можем потреблять (мощность , мощность )
от батареи часто ограничено. Например, монетоприемник с рейтингом
на 1 Ач на самом деле не может обеспечить 1 Ампер тока в течение часа, на самом деле
он не может обеспечить даже 0,1 ампер, не перенапрягая себя. Это как
говоря, что человек может путешествовать до 30 миль: конечно
Пробежать 30 миль — это совсем не то, что пройти пешком! Аналогично, монета 1 Ач
у ячейки нет проблем с обеспечением 1 мА в течение 1000 часов, но если вы попытаетесь
вытяните из него 100 мА, он проработает намного меньше 10 часов.
Например, на этом изображении ячейка типа «таблетка» может управлять резистором 3,9 кОм и обеспечивать 230 мАч (именно на это рассчитано ее номинальное значение), прежде чем упасть до 2 В, но если это резистор 1 кОм, он обеспечит только 125 мАч (изображение с http ://biz.maxell.com/en/product_primary/?pci=9&pn=pb0002)
Мощность мощность измеряется в C . A C — это емкость в ампер-часах, деленная на 1 час. Таким образом, C батареи емкостью 2 Ач составляет 2 А. Количество тока, которое батарея «любит» потреблять от нее, измеряется в С . Чем выше C , тем больший ток вы можете получить от батареи, не разряжая ее преждевременно. Свинцово-кислотные батареи могут иметь очень высокие значения C (10 C или выше), а литиевые батарейки типа «таблетка» — очень низкие (0,01 C
Как измеряются батареи Свинцово-кислотные аккумуляторы
Это руководство было впервые опубликовано 16 февраля 2013 года.
обновлено 16 февраля 2013 г.
Эта страница (мощность и мощность) последний раз обновлялась 26 ноября 2022 г.
Текстовый редактор на базе tinymce.
Решающая гонка по созданию лучшей батареи: подкаст Big Brains с Ширли Мэн
Show Notes
Батареи произвели революцию в нашей жизни, особенно изобретение перезаряжаемых батарей, которые позволили нам иметь мобильные телефоны, ноутбуки и электромобили. Но по мере того, как мы переходим к большему количеству форм зеленой энергии, мы сталкиваемся с серьезной дилеммой: смогут ли наши нынешние литий-ионные батареи поддерживать нас?
Специалист по аккумуляторным батареям Ширли Менг говорит, что нам нужно исследовать различные металлы и элементы, которые могли бы работать дольше и заряжаться быстрее. Мэн — главный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и профессор Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета. В течение последних двух десятилетий она была первопроходцем в исследованиях новых материалов для хранения энергии — таких, которые доступны по цене, могут быть добыты с соблюдением этических норм и, что наиболее важно, могут быть эффективно переработаны.
Подпишитесь на Big Brains в Apple Podcasts, Stitcher и Spotify. (Эпизод опубликован 4 августа 2022 г.)
Пол Рэнд: Всем знаком этот звук, низкий заряд батареи. Пришло время зарядить ваше устройство. Потеря заряда на вашем телефоне раздражает, но когда дело доходит до электромобилей, потери энергии, домов или даже целых городов, заряд батареи может стать ситуацией жизни и смерти.
Тем более, что мы переходим к большему количеству форм зеленой энергии.
Лента: когда дело доходит до возобновляемых источников энергии, становится ясно, что повеял ветер перемен.
Лента: Но главный вопрос в том, есть ли у нас технология для эффективного и рентабельного хранения?
Лента: поскольку мир перешел на экологически чистую энергию, в последние годы огромное внимание уделялось разработке способов хранения этой энергии для тех дней, когда солнце не светит и ветер не дует.
Лента: Нам нужна стратегия перехода. Без него каждый раз, когда в системе происходит шок, плохая погода, плохое хранилище, мы сталкиваемся с энергетическим кризисом.
Пол Рэнд: Сегодня. Батареи Lithi-I являются ведущим претендентом на роль аккумуляторов будущего, но некоторые ученые считают, что нам нужно что-то еще лучшее.
Ширли Мэн: Мы ищем наилучшее решение для крупномасштабного сетевого хранения, потому что для того, чтобы помочь обществу перейти на возобновляемые источники энергии, наши литиевые батареи не могут быть окончательным решением.
Пол Рэнд: Это Ширли Менг, главный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и профессор Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета. В течение последних двух десятилетий Мэн был пионером в исследованиях того, как сделать наши батареи еще более долговечными.
Ширли Менг: Я не могу перестать говорить вам, сколько раз люди говорили мне, что я выбрала неправильное направление.
Пол Рэнд: Хорошо.
Ширли Менг: Потому что батарея — это уже старая технология, и у нас были очень, очень ограниченные ресурсы, когда я работала над докторской диссертацией.
Пол Рэнд: Но за последние несколько лет Мэн доказал, что все они ошибались. Она совершила невероятный прорыв и усовершенствовала аккумуляторы, чтобы увеличить их срок службы в таких больших технологиях, как автомобили.
Ширли Мэн: Если мы сохраним эту скорость роста, возможно, к 2035 году около половины легковых автомобилей будут электрическими.
Пол Рэнд: И размером с телефон.
Ширли Мэн: Батарея сотового телефона через четыре года, может быть, около тысячи циклов. Хорошо. Если заряжать раз в день. У нас так много исследователей по всему миру, которые продемонстрировали, что пройти 10 000 циклов или 100 000 циклов вполне возможно. Это возможно с научной точки зрения. Поэтому подумайте о том, что один из способов повысить эффективность — сделать так, чтобы вещи лучше использовались, чтобы они использовались дольше.
Пол Рэнд: Если мы собираемся достичь нашей цели по сокращению выбросов углерода, перейдя на возобновляемые источники энергии для наших автомобилей, наших домов и наших городов.
Ширли Мэн: Я думаю, что люди с ионно-литиевыми батареями, мы чувствовали, что отстаем. Ага. Поэтому у нас есть долг перед нашими будущими поколениями, чтобы сделать его лучше.
Пол Рэнд: Из сети подкастов Чикагского университета. Это Big Brains, подкаст о новаторских исследованиях и ключевых прорывах, которые меняют наш мир. В этом эпизоде гонка по улучшению накопления энергии.
Я ваш хозяин, Пол Рэнд.
Пол Рэнд: Если мы действительно хотим иметь более экологичное будущее, нам потребуется гораздо больше, чем просто убедить всех купить электромобиль или установить солнечные батареи на крыше. Солнечный ветер или гидроэлектроэнергия, все это нужно где-то хранить.
Ширли Менг: Все используют батареи для питания нашего устройства, питания наших автомобилей, питания нашего дома. Если подумать о 8 миллиардах человек, и если мы сохраним стандарт качества жизни в США, то это около 30 киловатт-часов в день. Так что масштабирование невероятное.
Пол Рэнд: Не могли бы вы помочь мне получить более полное представление о проблеме, которую мы здесь пытаемся решить. Что такое хранение энергии? И какую роль она играет в нашем мире сегодня? И какую роль он должен играть завтра?
Ширли Менг: Позвольте мне, возможно, нарисовать энергию для хранения энергии, сравнимую с домашним холодильником. Таким образом, вы всегда храните дополнительную еду и напитки в холодильнике, потому что мы не хотим постоянно ходить в супермаркет.
Мы должны чувствовать, что нас много в еде.
Пол Рэнд: Итак, если мы подумаем о батарее, например о холодильнике, что произойдет, когда в ней закончится место? Если вы не можете хранить эту лишнюю еду где-либо, она, конечно же, будет потрачена впустую.
Ширли Мэн: На самом деле, за последнее столетие около 60%, я бы сказал, от 57% до 60% энергии были потрачены впустую. Они не используются эффективно.
Пол Рэнд: Боже мой. Я этого не знал.
Ширли Мэн: Да. Если мы вспомним более 100 с лишним лет назад, когда Вестингауз и Эдисон строили все подстанции для производства энергии, никто не беспокоился о растрате энергии.
Пол Рэнд: А теперь представьте, что холодильник нужен не только вашему дому, но и всему городу. И он должен работать достаточно хорошо, чтобы хранить достаточно еды для миллионов людей.
Ширли Мэн: Таким образом, вы не сможете хорошо работать, если у нас не будет этого огромного холодильника или устройства хранения, которое действительно позволит вам удовлетворить спрос в более совершенном смысле.
И, конечно же, сетка намного сложнее, чем просто хранение еды, потому что у вас есть качество сетки. Он должен поддерживать 60 герц в Соединенных Штатах. Вы должны думать о пиковом спросе. Вы должны думать о рампе, когда закат, ветер перестанет дуть. Так что это очень сложно.
Пол Рэнд: Итак, не могли бы вы поговорить со мной сегодня и сказать, что мы сегодня можем сказать о том, что батареи могут делать и чего они не могут?
Ширли Мэн: Итак, давайте проведем краткий урок истории аккумуляторов.
Пол Рэнд: Замечательно.
Ширли Менг: Теперь, если вы посмотрите на историю батарей, начиная с 1800 года, то есть на самом деле первая свая для избирателей, батарейки типа АА, которые мы используем, на самом деле были изобретением Александра Вольта в 1800 году. В 1860-х годах именно здесь французский ученый изобрел свинцовую кислоту.
Пол Рэнд: Свинцово-кислотная батарея была первой когда-либо созданной аккумуляторной батареей.
Ширли Менг: А потом, в 1960-х годах, Овшинский — американский ученый, открывший никель-металлогидридные батареи.
Пол Рэнд: Благодаря Овшинскому у нас появились такие технологии, как цифровые камеры и ноутбуки. И его батарея даже привела к созданию самого первого серийного электромобиля от General Motors в 1990-х годах.
Лента: Разгоняется от 0 до 60 и восьми секунд. И вы можете проехать 120 миль, не используя ни капли бензина. Это потому, что вы не наполняете его, вы заряжаете его. Это электрический Impact от General Motors.
Ширли Мэн: На самом деле у нас было много поколений аккумуляторов.
Пол Рэнд: Но в 1991 году произошел огромный прорыв. Sony представила первую в мире перезаряжаемую литий-ионную батарею.
Ширли Менг: Мы запускаем новые приложения. Мы запускаем приложения, о которых вы никогда не думали. Кто бы мог подумать, что у нас есть iPhone, iPad?
Лента: Телефон и интернет-коммуникатор, iPod, телефон. Вы понимаете? Это не три отдельных устройства. Это одно устройство.
Ширли Менг: Я хочу сказать, что каждый раз, когда мы изобретаем новый химический состав батареи, мы запускаем новые приложения.
Пол Рэнд: Ионно-литиевые батареи сегодня произвели революцию в нашем мире. Для их размера и веса они могут хранить много энергии, и их довольно легко заряжать. Но действительно ли они являются той батареей, которая может перенести нас в более зеленое будущее?
Ширли Мэн: На самом деле для производства ионно-литиевых батарей требуется много энергии. Для производства одного киловатт-часа литий-железных батарей требуется от 50 до 60 киловатт-часов. Таким образом, энергия, используемая для производства этих батарей, имеет значение, потому что сама батарея не является возобновляемой. То, как мы их производим, как мы их используем, как мы их перерабатываем, в конечном итоге определяет углеродный след самой батареи.
Пол Рэнд: Если вы задавались вопросом, почему электромобили до сих пор дороги, вините в этом ионно-литиевый аккумулятор. Чтобы сделать его, вам нужны четыре детали: катод, анод, электролит и сепаратор. В катоде используется металл, такой как никель, кобальт и литий, а в аноде используется графит.
Но некоторые эксперты предупреждают, что мир не производит достаточно этих металлов, чтобы удовлетворить спрос.
Ширли Мэн: Так, например, в мире аккумуляторов люди внезапно осознают, что если мы хотим построить столько гигаваттных заводов, у нас заканчивается литий, у нас заканчивается никель. У нас заканчивается медь. У нас заканчиваются все элементы. А горнодобывающей промышленности требуется десятилетие, чтобы получить разрешение, чтобы все заработало, чтобы достать эти элементы из-под земли.
Пол Рэнд: Фактически, в 2021 году Демократическая Республика Конго поставляла более 70% кобальта в мире. В стране находится почти половина мировых запасов.
Лента: На крупнейшие мировые технологические компании подали в суд из-за долгов детей по добыче полезных ископаемых в Демократической Республике Конго. Правозащитная группа подает иск от имени 14 конголезских семей. Они обвиняют такие компании, как Apple, Google, Dell, Microsoft и Tesla, в использовании детского труда для добычи кобальта.
Этот минерал является ключом к питанию батарей, используемых в наших мобильных телефонах, компьютерах и наших электромобилях.
Пол Рэнд: С этими батареями связана еще одна экологическая проблема.
Ширли Мэн: Ионно-литиевые батареи сегодня не перерабатываются на 100%. Таким образом, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые в США перерабатываются на 99,5%, сегодня перерабатывается менее 20% литий-ионных аккумуляторов. Позвольте мне объяснить, почему это сложно, потому что это не та же самая химия. Поэтому в свинцово-кислотных батареях мы используем электролит на водной основе. Так что притворяться очень безопасно. На самом деле в литий-ионных батареях мы используем какой-то органический электролит, который легко воспламеняется. Это опасные отходы. На самом деле очень дорого доставлять отработанные литий-ионные батареи.
Пол Рэнд: Мэн вместе с Аргоннской национальной лабораторией пытаются решить эту проблему. Они разработали так называемую модель перепродажи, которая рассчитывает стоимость и воздействие батареи на окружающую среду на каждом этапе ее жизненного цикла.
Ширли Менг: Есть много решений. Но чтобы достичь общества, нам понадобится регулирование. Нам нужно, чтобы правительства установили определенные стимулы, чтобы стимулировать людей к переработке. И тогда главный вопрос: кто платит за утилизацию? Может быть, потребители, как и мы, уже заплатили. Мне сказали, когда я купил iPhone, я уже оплатил утилизацию. Таким образом, среди нас было очень мало образования или распространения информации о передовом опыте. Я думаю, что это еще нужно довести до ума. В ближайшем будущем, я думаю, вы увидите, что несколько стартапов собираются собирать отработавшие батареи
Пол Рэнд: В настоящее время ионно-литиевые батареи в основном используются в электромобилях и сотовых телефонах. Но если у вас есть электромобиль и вы живете где-то вроде Чикаго, где очень холодно, ваша батарея не будет счастлива.
Ширли Менг: Да, Пол, я думаю, что текущая батарея похожа на наше человеческое тело. Мы не радуемся, когда температура поднимается выше 40 градусов по Цельсию, и мы не радуемся, когда температура опускается ниже минус 20 градусов.
Итак, литий-ионный аккумулятор в точности подобен человеческому телу. Ага. Честно говоря, я только что переехал из Сан-Диего в Чикаго. Мой сын спрашивал: «Мама, ты собираешься привезти свою Теслу в Иллинойс?» Я долго колебался из-за холода, а дальность будет страдать. Конечно, есть BMS, система управления батареями, которая разогревает батареи, чтобы вы могли продолжать работать. Машина по прежнему работает, без проблем. Но это повлияет на вашу эффективность, потому что много энергии придется использовать для управления температурным режимом.
Пол Рэнд: Итак, мы все еще пытаемся улучшить ионно-литиевые батареи? Или мы осознаем, что это устаревшая технология, и нужно тратить энергию на поиск новых типов хранения?
Ширли Менг: Очень хороший вопрос. Ага. Я думаю, что технология ни в коем случае не может быть сделана. Многое еще можно улучшить. Итак, в конце концов, я сказал, что мы используем так много энергии для производства ионно-литиевых батарей. И тут прикладывается много усилий, можно ли сократить количество энергии вдвое.
Мы называем это зеленым производством. Преобразующее зеленое производство. Ага. Вот и все, над чем мы активно работаем, чтобы сделать ионно-литиевые батареи еще лучше.
Пол Рэнд: Мэн и другие ученые-материаловеды ищут более чем одну альтернативу ионно-литиевым батареям. Ответы, они где-то в периодической таблице. Это после перерыва.
Пол Рэнд: Если вы многому научились благодаря важному исследованию, опубликованному на Big Brains, есть еще одно шоу сети подкастов Чикагского университета, которое вам стоит посмотреть. Он называется Not Another Politics Podcast. Подкаст Not Another Politics предлагает свежий взгляд на крупнейшие политические истории не через мнения и анекдоты, а благодаря тщательному исследованию, массивным наборам данных и глубокому знанию теории. Если вы хотите понять политологию, стоящую за политическими заголовками, слушайте подкаст Not Another Politics, часть сети подкастов Чикагского университета.
Пол Рэнд: Ионно-литиевые батареи были в центре внимания в течение последних нескольких десятилетий, но есть еще одна батарея, которая, наконец, получает второй шанс — металлический литий.
Ширли Мэн: Литий-металлические батареи были изобретены еще 50 лет назад, полвека назад.
Пол Рэнд: Но поскольку комбинация лития и металла была более сложной, технология изначально не работала.
Ширли Мэн: У нас есть только металлический литий, который действует как соединительный электрод. И это привело к огромным изменениям в архитектуре батареи. Чтобы сделать металлический анод, вы испытаете большое изменение объема. И для инженеров по аккумуляторным батареям это на самом деле очень важно. И поэтому, когда вы делаете литий-металлические, вы действительно можете делать это довольно хорошо. Но если вы сделаете это несколько сотен раз, вы не всегда сможете убедиться, что металлический литий осаждается очень гладко.
Ширли Мэн: Итак, когда у вас нет гладкого металлического лития, у вас растет нечто, называемое дендритом. В общем, выглядят как ветки деревьев. И эти ветки деревьев, если они торчат слишком далеко, пересекают электролит и ударяют по катоду, это то, что мы называем коротким замыканием.
И такие короткие замыкания могут вызвать серьезные проблемы с безопасностью. Вот почему 50 лет назад его опробовали, коммерциализировали, изъяли с рынка из-за безопасности,
. Пол Рэнд: Однако Мэн и другие ученые-материаловеды считают, что на этот раз они могут сделать все правильно.
Ширли Мэн: 50 лет спустя у нас есть лучший электролит. У нас лучше BMS, система управления батареями. И мы думаем, что на этот раз у нас получилось, мы сможем это сделать. Несмотря на то, что я должен быть честным с вами, Пол, есть люди, которые скептически относятся к тому, что эта технология будет такой же безопасной, как ионно-литиевые элементы.
Пол Рэнд: Один стартап в Силиконовой долине тестирует технологию. Они считают, что их литий-металлическая батарея может быть в два раза более плотной, чем ионно-литиевые батареи. Но они не единственные, кто тестирует различные материалы.
Ширли Менг: В некоторых батареях в качестве анода используется цинк, а в качестве катода может использоваться оксид марганца.
Таким образом, они находятся в состоянии R и D. Собственно, они уже очень далеко зашли в плане создания прототипов. Есть несколько компаний, которые делают это для отличного хранения. Причина в том, что цинк очень дешев, а оксид марганца еще дешевле. И поскольку они не используют литий, у них нет текущего ограничения цепочки поставок с литием.
Пол Рэнд: И есть элемент, с которым мы все знакомы в наших любимых соленых закусках, который также тестируется в батареях, ион натрия.
Ширли Мэн: Возможно, натриевые батареи могут помочь. Литий — самый легкий металл, а ниже — натрий. И если мы сможем сделать натриевые батареи такими же хорошими, как литий-ионные, я думаю, мы продвинемся очень и очень далеко.
Пол Рэнд: Итак, из всех вариантов, которые вы обсуждаете, какой из них вас больше всего воодушевляет?
Ширли Мэн: Итак, я думаю, может быть, я воспользуюсь этой возможностью, чтобы сказать: я не верю, что одна батарея удовлетворит все потребности. Я верю, что будет линейка аккумуляторов, отвечающих различным потребностям.
Так, например, я бы сказал, что для электромобилей высокого класса, которые разгоняются от 0 до 60 миль за три секунды, проезжают 500 миль на одном заряде, такого класса высокого класса мы можем использовать ионно-литиевые батареи или даже литий-металлические батареи. Есть потребности, например, как городская езда в оживленном городе, таком как Париж, Токио, Шанхай, вам не нужна такая дальность. Однако вам нужны аккумуляторы, которые мы можем быстро заряжать. А потом очень надежно упакованы в густонаселенных районах.
Ширли Мэн: Более того, вам нужно очень крупномасштабное хранилище, скажем, несколько сотен мегаватт-часовых батарей для района. Вы хотите, чтобы батареи были такими дешевыми, может быть, всего 20 долларов за киловатт-час. Так что вся система, район может позволить себе такую систему. Так что, возможно, немного оксида марганца, цинка может быть вариантом. Поэтому я считаю, что нам нужно смотреть на проблемы, с которыми мы сталкиваемся, более комплексно, и перестать мечтать о том, что одна батарея подойдет всем, потому что мы пытаемся сделать так, чтобы одна батарея решила все проблемы.
И я думаю, что после 10 лет интенсивных исследований мне становится совершенно ясно, что нам нужно скорректировать наш подход.
Пол Рэнд: Разные типы для разных нужд.
Ширли Мэн: Точно. Да.
Пол Рэнд: Сейчас вы в основном вкладываете свою энергию в твердотельные батареи. Это правильно?
Ширли Мэн: Можно так сказать, да. Лента
: Итак, мы говорим о твердотельных батареях, это революционная возможность зарядки для традиционной литий-ионной индустрии электромобилей.
Пол Рэнд: В твердотельных батареях используется твердый электролит вместо жидкого или полимерного геля, которые в настоящее время используются в ионно-литиевых батареях.
Ширли Менг: Мы смогли сделать некоторые вещи в твердом состоянии, чего не может сделать жидкий электролит.
Лента: Что это за возможности и как вы можете производить их в больших масштабах?
Пол Рэнд: Твердотельные батареи меньше, легче и потенциально безопаснее, потому что они негорючие.
Ширли Менг: За последние несколько лет у нас было одно или два очень интересных прорыва, когда мы занимались исследованиями твердотельных батарей.
Пол Рэнд: Мэн смог создать твердотельную батарею с анодом из кремния, плотность энергии которого в 10 раз выше, чем у используемых сегодня графитовых анодов.
Ширли Мэн: В прошлом году мы продемонстрировали 99,9% кремния. Так что почти полностью кремний. Мы убрали весь графит и можем заставить его работать в твердотельных батареях.
Пол Рэнд: Это важная разработка, потому что жидкие электролиты в современных ионно-литиевых батареях разрушают кремний, поэтому они не используются в коммерческих целях.
Лента: Всем хорошо известно, что твердотельные батареи открывают большие перспективы. Но есть много препятствий, которые нужно преодолеть.
Пол Рэнд: Но с твердотельной батареей Мэн это не проблема. Мало того, эти батареи могут лучше работать при высоких температурах.
Ширли Мэн: Ага. Таким образом, с точки зрения высоких температур мы ожидаем, что твердотельные элементы будут играть важную роль, улучшая характеристики батарей будущего при высоких температурах.
Пол Рэнд: Это достижимо?
Ширли Мэн: Это достижимо. Но я думаю, что это потребует времени. Мы рассматриваем пятилетний график, если технологическая готовность продолжит улучшаться. У него есть некоторые трудности, потому что текущее планирование гигаваттной фабрики основано на жидкостных элементах. Я думаю, что люди, занимающиеся производством, более осторожны, потому что, если полупроводниковые устройства действительно будут развиваться, я думаю, что производители первого уровня, такие как LG Energy Solution, им придется подумать о том, как построить гигаваттную заводскую машину, чтобы иметь возможность производить солнечное состояние. И это очень, очень большой вызов. И я бы сказал, что твердотельные батареи также дают нам возможность заново изобрести экологически чистое производство, потому что текущий процесс производства ионно-литиевых батарей более или менее оптимизирован. Так что мы смотрим на это с действительно оптимистичным настроем. Это определенно достижимо.
Это просто требует много тяжелой работы и вложений.
Пол Рэнд: Если мы действительно собираемся расширяться, предприятия, страховые компании и политики должны быть на борту.
Ширли Мэн: Это не то, что инженеры и ученые могут сделать в одиночку. Нам нужна помощь со стороны бизнеса и со стороны политики. Поэтому я хочу отметить, что наше общество действительно недостаточно инвестировало в химию аккумуляторов. Так что прямо сейчас я думаю, что многие новые технологии все еще находятся в зачаточном состоянии. И без тщательной оценки инвестиций неясно, какой из них, ион натрия или твердый натрий, жидкое солнечное состояние, какой из них выиграет первым, какой из них достигнет максимальной технологической готовности. Неясно.
Ширли Менг: Так что я очень признателен Министерству энергетики США. У них есть инвестиционный портфель, и они позволяют ученым и инженерам конкурировать. Потому что, в конце концов, если у нас есть несколько вариантов выбора батареи, это помогает повысить надежность цепочки поставок.
На самом деле это также помогает в выборе регионов, потому что такие страны, как Соединенные Штаты, на самом деле не богаты литием, никелем и другими элементами. Но у нас много железа, марганца или натрия. Поэтому я думаю, что стратегически мы должны подумать о том, как мы предлагаем правительству и районам выбор, где они могут сделать этот выбор наилучшим для своей ситуации.
Пол Рэнд: Несмотря на то, что Мэн является экспертом по батареям, она не считает, что батареи — единственное решение для нашего зеленого будущего.
Ширли Мэн: Батареи не могут решить все проблемы, потому что есть ограничения на то, что могут делать батареи. На всем пути от добычи, до использования, до конечного использования, до переработки, вся система не в состоянии удовлетворить спрос, что мы собираемся расти в 100 раз больше и использовать больше батарей, производить больше батарей, и утилизируйте больше батарей. Я думаю, что давление, которое мы сейчас испытываем, невероятно, потому что все думают, что батареи могут решить все проблемы с передачей энергии.
Ширли Мэн: Например, в некоторых регионах солнце не выходит неделями. Таким образом, есть некоторые виды производства энергии с базовой нагрузкой, которые невозможно обеспечить с помощью возобновляемых источников энергии и аккумуляторных батарей. Поэтому я также хочу быть очень реалистичным в отношении реальности. Мы должны относиться к этому прагматично. Я думаю, что батарея может сыграть важную роль, ключевую роль, но нам потребуются другие технологии, чтобы также придумать другие углеродно-нейтральные технологии, которые вступят в игру.
Пол Рэнд: Если мы хотим полностью перейти на возобновляемые источники энергии, к 2040 году Соединенным Штатам потребуется как минимум в 100 раз больше хранилищ.
Ширли Менг: Мы должны продолжать инвестировать в накопление энергии и поощрять молодых людей выбирать это для развития своей карьеры. Да, так что у нас есть долг перед нашими будущими поколениями, чтобы сделать его лучше.
Мэтт Ходапп: Большие мозги — это продукт сети подкастов Чикагского университета.
Если вам нравится то, что вы услышали, пожалуйста, оставьте нам оценку и отзыв. Шоу ведет Пол М. Рэнд, а продюсируют я, Мэтт Ходап и Леа Сеасрин. Спасибо за прослушивание.
Список серий
Истоки цивилизации и будущее археологии: день завтра начался
Как фигура типа Индианы Джонса изменила мир — и вопросы, над которыми сегодня бьются ученые
Можем ли мы предсказать вашу способность концентрироваться? с Моникой Розенберг (эпизод 102)
Нейробиолог использует МРТ, чтобы измерить ваше внимание и узнать, как его улучшить
«Легендарное» открытие черных дыр: день завтра начался
Узнайте удивительную историю этих космических монстров и будущее исследований лидеров в этой области
Празднование нашего 100-го выпуска
Закулисный взгляд на изменяющие мир идеи в Университете Чикаго и за его пределами
Сокращает ли благосостояние преступность? с Манаси Дешпанде (эпизод 99)
Новаторское исследование изучает влияние одной программы на занятость и количество заключенных
Решающая гонка по созданию лучшей батареи с Ширли Мэн (эпизод 98)
Стремление одного ученого улучшить технологию при переходе на экологически чистую энергию
Снятся ли животные? с Дэвидом М.
