Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

Кадр: JacobsSchoolNews / YouTube

1

Международный коллектив ученых объявил о создании первого в мире комбинированного аккумулятора

В конце сентября международный коллектив ученых под руководством ученого Даррена Хана и с участием инженеров LG рассказал о создании первого комбинированного аккумулятора для автомобилей на электрической тяге. Подобная батарея является твердотельной и построена на базе анода из чистого кремния. По сравнению с аналогами новый аккумулятор является более энергоемким и безопасным и, кажется, превосходит все конкурентные образцы. «Лента.ру» объясняет, почему все автопроизводители не могут перейти на твердотельные батареи и какие перспективы есть у нового комбинированного аккумулятора.

2

Несовершенство литий-ионных батарей давно волновало инженеров

Используемые в современных электрокарах батареи неидеальны. Как правило, автопроизводители используют литий-ионные зарядные элементы. Несмотря на то что аккумуляторы позволяют хранить энергию длительное время и обеспечивать машины запасом хода на полтысячи миль, проблем с ними слишком много.

Во-первых, батареи быстро изнашиваются. Во-вторых, они очень капризны: требовательны к температуре эксплуатации и не переносят постоянных или сильных вибраций. Именно поэтому при ДТП электрокар может загореться, а на тушение и локализацию возгорания может уйти несколько часов.
Также почти все батареи — начиная от элементов в пультах к телевизорам и заканчивая фабричными аккумуляторами — состоят из кобальта. Зависимость индустрии от этого материала крайне высока, так как 60 процентов всего кобальта добывают в Демократической Республике Конго.
В теории твердотельные батареи как минимум практичнее и безопаснее. Их конструкция предполагает использование минимума материалов. По словам ученых, чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.

Кадр: Tech Space / YouTube

3

Батареи с кремниевыми анодами тоже неидеальны

Использование кремниевого анода в батареях позитивно описывается Дарреном Ханом и его коллегами. Впервые данную наработку описали в 2002 году. Спустя почти 13 лет основатель Tesla Илон Маск заявил, что применение кремния в аккумуляторах его электрокаров увеличивает запас хода примерно на шесть процентов. Батареи на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, чем другие, — примерно 3600 миллиампер-часов на грамм материала.
Однако в заряженном состоянии данный тип анода в больших долях является крайне неустойчивым, а следовательно, опасным для применения. При длительном контакте с жидким электролитом кремний плохо держит энергию, что оборачивается значительной потерей мощности электрического двигателя. Поэтому современные аккумуляторы состоят из кремния лишь частично. В этой связи аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что весьма незначительно влияет на производительность. Например, на рынке существуют аккумуляторы, созданные на базе композитного электрода с кремниевой нанопроволокой. Информация о содержании этого материала в батареях производителей обычно не раскрывается, но можно считать, что доля кремния в них не превышает десяти процентов.

4

Преимущество кремния

Учитывая все недостатки батарей на базе классического электролита и кремния, ученые решили синтезировать материал с твердым электролитом на основе сульфида. Использование твердой структуры решило проблему насыщения анодов жидким электролитом во время работы. По словам Хана, отсутствие углерода в аноде значительно снижает межфазный контакт, что приводит к нежелательным побочным реакциям с твердым электролитом.
Сравнительные тесты показали, что кремниевые аноды имеют в десять раз большую плотность энергии, чем графитовые. Пока что новое изобретение удалось воссоздать лишь в лабораторных условиях, но характеристики новой батареи удовлетворяют специалистов. Аккумулятор-прототип сохранил 80 процентов емкости после 500 циклов зарядки, удельная емкость энергии на грамм кремния составила около 2890 миллиампер-часов. Батарея оказалась стабильна и безопасна, что в будущем наверняка позволит использовать ее несколько десятков лет. По словам ученых, аккумуляторы нового типа смогут пережить сам автомобиль.

Кадр: Torque News / YouTube

5

Чего ждать в будущем?

«Принцип твердотельного кремния преодолевает многие ограничения обычных батарей», — говорится в отчете изобретателей. Ученые считают, что созданные по комбинированному принципу аккумуляторы удовлетворят рыночный спрос на безопасные батареи с более высокой емкостью при более низких затратах. Ноу-хау можно использовать при создании как электрокаров, так и стационарных энергохранилищ.

Как было замечено, удачный прототип батареи пока был создан в лабораторных условиях и тестировался при комнатной температуре. Комфортная для аккумулятора работа происходит при температуре около 140 градусов по Фаренгейту (порядка 60 градусов по Цельсию). Даррен Хан признает, что от прототипа до первого коммерческого образца могут пройти годы, и соглашается со скептиками, что его коллегам предстоит много работы. Однако ученый уже зарегистрировал бренд Unigrid battery, под которым надеется выйти на рынок твердотельных аккумуляторов нового поколения.
О «кремниевой революции» все чаще говорят и крупные игроки на рынке электромобилей. Например, в 2020 году представители Tesla обнадежили потребителей и рынок, что планируют удвоить содержание кремния в батареях своих автомобилей.

Виды аккумуляторов для автомобилей: технические характеристики

Разные виды аккумуляторов для автомобилей включают элементы, позволяющие получить большее напряжение. АКБ различаются по методу подключения, у одних устройств оно последовательное, у других — параллельное. Материалы электродов имеют жидкий или гелеобразный электролит.

Есть много видов аккумуляторов для автомобилей.

Что такое аккумулятор и для чего он нужен в автомобиле?

Автомобильный аккумулятор, так же как генератор, служит в качестве источника электроэнергии и выполняет следующие функции:

• снабжает током стартер, когда запускается двигатель;
• питает включенный потребитель при работе генератора;
• участвует в переходных процессах, которые требуют высокого напряжения;
• способствует сглаживанию пульсирующего тока.

Свинцово-кислотные аккумуляторы в легковых машинах отличаются по типу. С течением времени устройства совершенствуются. Одна батарея включает в себя 6 отдельных аккумуляторов, соединенных последовательно. Корпус у таких элементов сделан из полипропилена, он устойчив к воздействию кислот.

Один из таких мини-аккумуляторов включает в себя несколько положительных и отрицательных электродов. Назначение сепаратора — изоляция электродов, имеющих противоположную полярность. Каждый отдельный электрон сделан из свинца или свинцово-кальциевого сплава.

У АКБ такого типа низкий уровень заряда. У гибридных АКБ более простая конструкция. Чтобы электроды имели повышенную устойчивость к коррозии, в свинец добавляется незначительное количество олова. Структура электродов напоминает решетку. Каждый находится в электролите — растворе серной кислоты (или геле).

Основные виды автомобильных аккумуляторных батарей — краткая характеристика, маркировка

Разные типы автомобильных аккумуляторов имеют разную мощность, стоимость и эксплуатационные характеристики.

Исследователи стараются увеличивать энергоемкость устройств. Разрабатываются морозостойкие батареи. Существующие АКБ содержат опасные вещества: свинец и серную кислоту. В планах разработчиков создание более экологичных агрегатов.

Сурьмянистые

Свинцовая пластина таких АКБ имеет от 4,8 до 5% сурьмы, которая делает свинец плотнее и усиливает электролиз. Когда происходит выделение газов, вода будто закипает. В результате таких процессов повышается концентрация электролитов.

Чтобы компенсировать потерю влаги, в АКБ заливается очищенная вода. Популярны батареи, содержащие меньшее количество сурьмы. Устройства легко обслуживать. Современные аккумуляторы для авто практически не содержат сурьмы.

Малосурьмянистые АКБ

Пластины таких АКБ имеют минимальное количество сурьмы (менее 4,8%). Устройства могут и не контролироваться. В этом случае выкипает немного воды. Малосурьмянистая АКБ не предъявляет высоких требований к электрическому оборудованию. Он имеется в российских легковых авто.

Главное преимущество устройства — ценовая доступность.

Щелочные

Состав аккумулятора для автомобиля.

Батареи такого типа содержат щелочь. Они подразделяются на 2 вида: никель-кадмиевые и металлгидридные.

Положительные пластины выполнены с применением гидроксида никеля, отрицательные содержат незначительное количество кадмия и железа.

Никель-кадмиевые щелочные батареи удобны в эксплуатации. Особенность в том,что во время химических реакций электролит остается, а не выкипает.

Щелочные батареи имеют много преимуществ по сравнению с “классическими”:

1. Нормально переносят перезаряд. Можно хранить их разряженными.
2. Щелочные АКБ удобно эксплуатировать, если температура низкая. Зимой двигатель будет быстро запускаться.
3. Кислотные батареи выделяют вредные вещества, а щелочные — нет.

Главный недостаток — высокая стоимость. Устройства много весят, они чаще применяются в грузовых машинах.

Кальциевые

Чтобы выкипало меньше воды, вместо сурьмы стали использовать кальций. У кальциевой АКБ маркировка “Ca/Ca”. Она указывает на то, что детали устройства имеют кальций. А если добавляется незначительное количество серебра, снижается сопротивление аккумулятора, в результате повышается энергоемкость.

Когда стали применять кальций, уменьшилось газовыделение, снизился расход воды. Малосурьмянистые АКБ уступают кольцевым. Батарею, в которой есть кальций, часто называют “необслуживаемой”. У такого устройства долгий срок службы, вода выкипает медленно.

Автомобильные аккумуляторы, пластины которых содержат кальций, долго хранятся и не теряют эксплуатационных свойств.

Но кальциевая АКБ имеет несколько слабых сторон:

• предъявляет высокие требования к перезарядке;
• является чувствительной к напряжению бортовой сети;
• плохо реагирует на перепады температуры.

Кальциевая батарея дороже малосурьмянистой, но цена оправдывает качество. АКБ такого типа устанавливаются в зарубежные авто. Минус кальциевой батареи — чрезмерная требовательность к перезарядке. Но при правильном уходе она становится надежным, долговечным источником питания.

AGM и гелевые батареи

Вышеназванные типы АКБ содержат раствор серной кислоты, а AGM — гель. Устройства устанавливаются в дорогих иномарках, они надежнее и безопаснее “классических”.

Серная кислота, разбавленная водой, сразу вытекает, если корпус повреждается. Гелеобразный электролит имеет повышенную плотность, он не такой текучий как жидкость. Между пластинами есть материал, который удерживает гель внутри. Функция этого материала — защищать электроды.

Обозначение “AGM” (Absorbent Glass Mat) переводится как «материал с абсорбирующими свойствами». Гель в агрегате зафиксирован. Такую АКБ можно наклонять, не боясь, что при повреждении жидкость вытечет.

Виды аккумуляторов.

Один из плюсов батареи — прекрасная виброустойчивость. У нее низкий уровень заряда, соответственно, его можно долго хранить. Рекомендуется хранить гелевый аккумулятор заряженным. Еще один его плюс — устойчивость к перезарядке.

Нельзя подвергать батарею ускоренной зарядке. Следует использовать меньший ток. Гелевые АКБ имеют специальное устройство для зарядки. Помимо достоинств, у таких батарей есть слабые стороны. Они плохо работают, если температура воздуха резко понижается. Если хранить АКБ в благоприятных условиях, срок службы составит до 11 лет. Еще один недостаток батареи — высокая цена.

Гибридные АКБ

У таких батарей маркировка “Ca+”. Пластины устройств имеют электроды, отличающиеся технологией производства. Положительные являются малосурьмянистыми, а отрицательные — кальциевыми. Гибридные батареи расходуют мало воды, в этом заключается их преимущество. Устройства надежны, устойчивы к перезарядке.

Литий-ионные АКБ

По качеству их сравнивают с гелевыми. Химические элементы таких аккумуляторов имеют ионы лития. Отрицательные электроды содержат графит, положительные — литий-фосфатный материал, который не токсичен. Он экологически чист, безопасен и легко поддается утилизации.

Литий-ионные батареи выдают относительно высокое напряжение, имеют низкий уровень самозаряда. Они используются нечасто, потому что чувствительны к температурным перепадам.

Свинцовые батареи вытесняются другими видами. Аккумуляторные устройства AGM становятся все более популярными, но их стоимость выше, чем у прочих разновидностей. В будущем планируется создать батареи, которые не будут содержать жидкости.

Эволюция автомобильных аккумуляторов – от старых технологий к MIXTECH

Автомобильные аккумуляторы начинались как простые устройства, предназначенные для питания стартеров автомобилей, построенных в 1920-х годах. Шло время, и современные автомобили становились все более и более сложными, и батареи развивались вместе с ними.

В начале 1940-х несколько изобретателей взяли базовую концепцию батареи и улучшили технологию, чтобы ее можно было использовать для питания различных электрических систем «качества жизни» современных автомобилей.

Мы рассмотрим, как автомобильные аккумуляторы развивались на протяжении десятилетий, а также новаторские особенности современных высокотехнологичных аккумуляторов.

Ранние годы

Самая первая известная нам батарея была разработана в 250 году до н.э. недалеко от современного Ирака. Это был простой глиняный горшок, состоящий из гальванических элементов, которые могли производить небольшой электрический заряд. Неизвестно, для чего древние использовали эту технологию, но ученые считают, что она могла помочь в гальванике золота или, возможно, даже в электротерапии.

Технология была утеряна во времени, и только в 1859 году французский врач Гастон Планте изобрел прототип, который впоследствии стал современной свинцово-кислотной батареей. Первоначально он приводил в действие электромобили начала 1900-х годов, но технологические ограничения того времени сделали их крайне неэффективными, и к 1920 году от идеи электромобиля полностью отказались.

Аккумулятор современного автомобиля

В 1920-х годах автомобили имели ручные стартеры, крутить которые обычному человеку было физически сложно. Многие люди ломали запястья и большие пальцы, пытаясь завести машину. Cadillac воспользовался этой проблемой и представил электрический стартер, для работы которого требовалась батарея. Это было появление современного автомобильного аккумулятора, конструкция которого мало изменилась за десятилетия.

В 1950-х годах батареи перешли с шести вольт на двенадцать, и с тех пор это стало нормой. 1970-е годы подарили нам изобретение необслуживаемых аккумуляторов, которые полностью избавили от необходимости доливать воду. В остальном базовая автомобильная батарея осталась почти такой же, за исключением нескольких улучшений стоимости и плотности в течение следующих нескольких десятилетий.

В 1980-е годы произошел следующий скачок в технологии аккумуляторов, когда были разработаны автомобильные аккумуляторы с абсорбированным стекломатом (AGM). Они состоят из очень тонкого и сверхтонкого стекловолоконного мата, который зажат между пластинами, пропитанными 95% от общего количества кислоты в аккумуляторе, которое они могут удерживать. Весь аппарат спаян на месте.

Конечным результатом является батарея, практически невосприимчивая к вибрациям. Эта технология была первоначально разработана для военных самолетов в 1985 году из соображений вибрации, безопасности, веса и надежности. Производители автомобильных аккумуляторов вскоре последовали их примеру и начали производить аккумуляторы AGM для автомобилей.

Будущее автомобильных аккумуляторов

Одной из самых больших проблем, с которыми сталкивается современный автомобильный аккумулятор, является так называемое расслоение кислоты. Это происходит, когда кислота в электролите оседает на дно, что в итоге может привести к чрезмерной коррозии и дисбалансу заряда.

Discover Battery, ведущий производитель инновационных автомобильных аккумуляторов, изобрел аккумулятор MIXTECH, чтобы помочь решить эту проблему. В аккумуляторе MIXTECH движение вашего автомобиля вызывает равномерную и непрерывную циркуляцию электролита, что предотвращает расслоение кислоты.

Аккумуляторы MIXTECH обладают широким набором инновационных функций, таких как:

Микроцикл Start-Stop — он разработан для поддержки микроциклов и частичного состояния заряда, характерных для длительных городских поездок и антихолостой ход и запуск/остановка транспортных средств.

Виброустойчивость – высокотехнологичное соединение элементов предотвращает положительный рост пластины и помогает снизить количество отказов, связанных с вибрацией.

Создан для экстремальных температур – 360-градусное смешивание кислоты в аккумуляторе MIXTECH помогает устранить температурные градиенты и увеличить срок службы аккумулятора при экстремальных температурах.

Стекломат – MIXTECH Аккумуляторы имеют конструкцию сжатых ячеек с сепараторами в оболочке + AGM, которые уменьшают разрушение пластин, улучшают виброустойчивость и обеспечивают устойчивость к циклическим нагрузкам. Они обеспечивают в 3 раза большую циклическую стабильность и в 10 раз большую вибростойкость по сравнению с обычными батареями.

Толстые положительные сетки – Увеличенное количество активного материала и присадок помогают снизить внутреннее сопротивление, одновременно способствуя высоким устойчивым напряжениям при пусковых нагрузках. Это помогает увеличить срок службы и производительность при глубоком цикле.

Аккумуляторы MIXTECH

MIXTECH поможет предотвратить накопление кислоты и сократить срок службы аккумуляторов, а также увеличить его до 4 раз. Они сделаны прочными и могут выдерживать суровые условия современных легковых автомобилей с системой остановки/запуска двигателя, а также коммерческих грузовых автомобилей.

Компания Continental Battery уже более 85 лет поставляет нашим клиентам высококачественные аккумуляторы. Мы стремимся развивать и поддерживать отличные и долгосрочные отношения с клиентами, подкрепленные нашей продукцией высшего качества.

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о нашей компании и нашей обширной линейке аккумуляторов для автомобилей, судов и гольф-каров.

Автомобильные аккумуляторы: больше, чем просто мокрый свинец

Когда-то работать с автомобильными электрическими системами было легко. Аккумулятор просто обеспечивал питание стартера автомобиля при запуске или для работы небольшого количества аксессуаров, когда двигатель не работал. Остальное время генератор заряжал аккумулятор и обеспечивал питанием остальную часть автомобиля и систему зажигания. В то время как в очень ранних автомобилях не было аккумуляторов, а в некоторых старых автомобилях были системы положительного заземления на 6 В, большинство из нас всю свою жизнь прожили, когда автомобильные аккумуляторы бывают нескольких размеров (контролируются Международным советом по аккумуляторам), а автомобили имеют 12 В, система отрицательного заземления.

Времена изменились. У автомобилей больше нет дистрибьюторов, у них есть компьютеры. У них также есть много гаджетов от GPS до резервных камер и зарядных устройств для мобильных телефонов. Аккумуляторы должны были стать мощнее, и современная тенденция требует меньше обслуживания. Итак, сегодня вы обнаружите, что существует не один вид автомобильного аккумулятора. Но как работают эти другие аккумуляторы и что не так со старым добрым свинцово-кислотным аккумулятором?

Для целей этого поста я не говорю об аккумуляторах для электромобилей, это совсем другая тема — и у большинства из них есть и обычные автомобильные аккумуляторы.

В царстве практичности

6-секционная свинцово-кислотная батарея. CC BY SA 3.0 от [Genetics4good] Вернемся к реальности: вам не нужно платить 800 долларов за автомобильный аккумулятор, но есть несколько вариантов. Традиционная батарея, на которой мы все выросли, — это свинцово-кислотная батарея с заливными ячейками. Эти батареи имеют ряд желательных характеристик. Они долго остаются заряженными. Они могут выдерживать большие скачки напряжения, подобные тем, которые возникают при проворачивании стартера. Они могут выдержать многократную легкую разрядку и перезарядку. На самом деле, большинство этих аккумуляторов не любит полной разрядки и перезарядки.

Эти батареи достаточно просты. Каждая ячейка имеет сетку со сплавом на основе свинца для катодов и анодов из оксида свинца, находящихся в серной кислоте. Типичная батарея имеет шесть ячеек для достижения 12,6 В, и была крышка, которая позволяла пользователю добавлять воду — предпочтительно дистиллированную воду — при необходимости, а также выпускать газообразный водород, образующийся во время зарядки.

Испарение и осыпание

Бич всего этого — испарение электролита аккумулятора. Со старыми батареями вы можете расплескать содержимое. Работа от батареи также удаляет воду. Тепло может испарять жидкость. Меньше жидкости означает меньшую площадь поверхности, подверженную воздействию электролита, что снижает возможности батареи. Это также может привести к сульфатации, когда электроды покрываются сульфатом свинца, что ослабляет батарею и требует осторожной перезарядки.

Однако основной износ аккумуляторов этого типа заключается в том, что во время работы часть материала выделяет сульфат свинца, который оседает на дно аккумулятора. Батареи глубокого цикла будут иметь более толстые пластины и больше места внизу для накопления отходов. В конце концов, если на дне накопится достаточное количество отходов, батарея выйдет из строя.

Улучшения

В те дни, когда нужно было проверять воду в аккумуляторе, как воздух в шинах, существовали присадки, такие как VX-6, которые можно было добавлять в аккумуляторные элементы, в которых использовался сульфат кадмия для предотвращения сульфатации. По крайней мере, это было утверждение, которое некоторые оспаривали.

Но, очевидно, вы хотели бы иметь аккумулятор, который работает вечно и не требует обслуживания. Все, конечно, не получится, но попробовать можно. Новые сплавы уменьшили количество разлагающейся воды, поэтому в батареях может быть достаточно жидкости, чтобы продержаться в течение всего срока службы. Вот почему большинство аккумуляторов сегодня герметичны и имеют только вентиляционные отверстия для выхода газа во время зарядки.

Усовершенствованные залитые батареи стали еще одним нововведением, и им удалось в значительной степени вытеснить обычные батареи. В них используется полимерный сепаратор, который проницаем для электролита, но предотвращает короткое замыкание пластин. Эти батареи служат намного дольше, чем обычные батареи, и имеют гораздо большую устойчивость к глубокому разряду.

Стеклянные гвозди

Аккумулятор AGM открыт. CC BY SA 3.0 от [Bullenwächter] Однако на сегодняшний день основными аккумуляторами являются AGM или аккумуляторы с абсорбирующим стекловолокном. Они также известны как свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном или батареи VRLA или герметичные свинцово-кислотные батареи. Технически VRLA или герметичные свинцово-кислотные элементы также могут относиться к гелевым элементам, но в автомобильных приложениях вы обычно видите батареи AGM из-за быстрой зарядки и длительного срока службы, которые они обеспечивают.

Ключевое нововведение в батареях AGM заключается в том, что электролит не является жидкостью. Вместо этого он удерживается в мате из стекловолокна, сотканном из очень тонких стеклянных волокон. Во время производства маты замачивают в кислоте, отжимают для удаления лишней жидкости, а затем устанавливают в батарею, где они сохраняют достаточное количество кислоты в контакте с электродами в течение всего срока службы батареи.

Аккумуляторы AGM требуют минимального обслуживания и, в отличие от жидких аккумуляторов, могут работать в любом положении. Это особенно важно для вездеходов и мотоциклов, где аккумулятор может опрокинуться или перевернуться. Они также выделяют меньше газообразного водорода, что делает их более безопасными. Они не требуют какого-либо периодического обслуживания, но могут прослужить или не прослужить дольше, чем правильно обслуживаемая обычная батарея. Обратите внимание, однако, что если вы не поддерживаете нормальную батарею должным образом, все ставки отключены. Опять же, перезарядка сложнее для AGM.

В то время как мат, кажется, подразумевает плоскую структуру, похожую на подушку, маты AGM могут быть свернуты или помещены в другие конфигурации в зависимости от батареи. Например, ниже вы можете увидеть сравнение обычного аккумулятора и спирального AGM-аккумулятора. Другим вариантом полутвердых электролитов является гелевая ячейка, но вы не часто видите их в автомобильных приложениях, потому что гелевая серная кислота плохо работает при более низких температурах.

Существуют способы устранения некоторых типов проблем с незапечатанными аккумуляторами, некоторые из которых связаны со значительными скачками напряжения.