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.
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.
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.
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.
Автомобильные аккумуляторы VARTA® — аккумуляторы лидера мирового рынка
Одна платформа — бесчисленное количество возможностей.
Новый VARTA Partner Portal теперь онлайн! Он сочетает улучшенные версии знакомых инструментов и новые впечатляющие функции.
Посетить портал сейчас
Аккумуляторы VARTA® AGM
Наилучшее решение для автомобилей с системой Start-Stop или автомобилей с большим количеством оборудования.
Узнать больше
Раскройте весь потенциал своего грузовика.
Узнать больше
На VARTA® Truck Portal Вы найдете оптимальное решение при выборе аккумулятора
Начать работу
VARTA®
Battery Test-Check
Сперва проверьте аккумулятор, затем
отправляйтесь исследовать Вселенную.
Проверьте свой аккумулятор
Подбор аккумулятора VARTA®
Тип транспортного средства
Год производства
Производитель
Модель
Модификация
Вы профессионал? Воспользуйтесь расширенным поиском на нашем портале для партнеров VARTA Partner Portal.
Найти продавца VARTA®
Pегион/Cтрану:
АвстрияБельгияБолгарияРеспублика ЧехияДанияГерманияИспанияФранцияХорватияИталияВенгрияНидерландыНорвегияПольшаПортугалияРумынияШвейцарияСловенияФинляндияШвецияВеликобританияЭлладаРоссияСербияТурцияЭстонияЛитваЛатвияАлбанияБосния и ГерцеговинаКосовоМакедонияЧерногорияАрменияАзербайджанБеларусьГрузияКазахстанКыргызстанМолдоваТаджикистанТуркменистанУзбекистанСловакияИсландияУкраина
Город / Индекс:
Радиус:
5 km10 km20 km50 km100 km500 km1000 km
Доверьтесь аккумуляторам VARTA
® – Лучшим аккумуляторам от мирового лидера рынка Современные транспортные средства требуют от аккумулятора максимальной мощности. Аккумуляторы VARTA® питают «сердце» вашего транспортного средства, будь то автомобиль с системой Start-Stop, обычный автомобиль, мотоцикл, фургон, грузовик или спортивно-развлекательное транспортное средство.
Аккумулятор VARTA® — всегда лучшее решение!!
Узнайте больше
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. В 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 более мощными, и современная тенденция также требует меньше обслуживания. Итак, сегодня вы обнаружите, что существует не только один тип 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 времена, 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 аккумуляторы стали еще одним нововведением, и им удалось в значительной степени вытеснить обычные аккумуляторы.
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 стекломатом. 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 батареями, некоторые из которых связаны со значительными скачками напряжения. Томасу Эдисону нравилось использовать никель-железные батареи в своем электромобиле, и в некоторых случаях эта технология тоже может быть возрождена.
Избранное изображение: «Автомобильные аккумуляторы Walmart EverStart, аккумулятор» Майка Моцарта
Из чего сделаны автомобильные аккумуляторы? Могут ли они быть переработаны?
Автомобильные аккумуляторы представляют собой накопители энергии, сохраняющие свою энергию в химической форме.
Наиболее распространенным является залитый свинцово-кислотный аккумулятор. Чередующиеся пластины из свинца (анод) и оксида свинца (катод) погружаются в ванну с сернокислотным электролитом или «аккумуляторной кислотой». Каждая ячейка содержит 2,1 В, а автомобильные аккумуляторы состоят из шести элементов, поэтому типичный автомобильный аккумулятор «12 В» удерживает 12,6 В при полном SOC. Менее распространенные автомобильные аккумуляторы AGM (абсорбированный стекломат) также используют шесть свинцово-кислотных элементов, а не жидкий электролит, а гелевый электролит, заключенный в стекловолоконные маты.
Скромный свинцово-кислотный аккумулятор существует уже довольно давно. На самом деле он был изобретен в 1860 году. С тех пор он приводит в действие миллиарды автомобилей! Пол Джонсон, исполнительный директор по вопросам окружающей среды в KBI Recycling, говорит: «Свинцово-кислотные аккумуляторы на сегодняшний день являются наиболее перерабатываемым товаром на земле, и ни один другой аккумулятор не может использоваться так повторно, как свинцово-кислотный аккумулятор ».
Они очень тяжелые, они большие, и это древняя технология. Но они по-прежнему поставляются в качестве стандартного блока питания в 98,8% всех автомобилей, которые производятся каждый год.
С появлением гибридных и электрических транспортных средств автомобильные аккумуляторы меняются. Аккумуляторы для гибридных и электромобилей совсем не похожи на аккумуляторы на 12 В и, вероятно, даже не видны и не доступны обычному водителю или домашнему мастеру. Эти автомобильные аккумуляторы с напряжением свыше 300 В могут убить незащищенного человека. К счастью, эти аккумуляторы хорошо защищены и хорошо спрятаны от неопытных рук.
Гибридные автомобили могут по-прежнему использовать небольшую аккумуляторную батарею на 12 В для питания электрических систем автомобиля, но запуск и работа двигателя обеспечиваются основной аккумуляторной батареей и преобразователями напряжения. Гибридные автомобильные аккумуляторы обычно представляют собой никель-металлгидридные или литий-ионные (никель-металлогидридные или литий-ионные).
Аккумуляторы электромобилей почти всегда являются литий-ионными, которые обладают большей плотностью энергии, чем NiMH, что важно с точки зрения пространства, веса и запаса хода, но все же могут использоваться небольшие 12-вольтовые аккумуляторы для электроники, когда транспортное средство не «работает». ». Во время работы преобразователи напряжения питают электронику автомобиля и заряжают аккумулятор 12 В.
Электрические автомобили, такие как Tesla Model S, Renault, Zoe, BMW i3 и т. д., могут заряжать свои батареи до 80 процентов на станциях быстрой зарядки в течение 30 минут.
Преимущество производства аккумуляторов для электромобилей заключается в том, что 80% компонентов подлежат вторичной переработке, поэтому, когда срок службы аккумулятора подходит к концу, его можно разобрать, чтобы отделить сырье для повторного использования.
Как именно работает автомобильный аккумулятор? Автомобильный аккумулятор обеспечивает электроэнергию, необходимую для питания всех электрических компонентов автомобиля.
Это огромная техническая ответственность. Без аккумулятора ваш автомобиль, как вы, наверное, уже заметили, не заведется.
Давайте посмотрим, как работает эта мощная маленькая коробка:
Химическая реакция приводит вашу машину в движение. Ваша батарея преобразует химическую энергию в электрическую энергию, необходимую для питания вашего автомобиля, подавая напряжение на стартер.
Аккумулятор не только обеспечивает энергию, необходимую для запуска автомобиля, но и стабилизирует напряжение, чтобы двигатель работал. Автомобильный аккумулятор вместе с генератором (в традиционных автомобилях) также питает все электронные аксессуары, такие как автомобильное радио и фары. Совсем немного катается на автомобильном аккумуляторе. Назовите это маленькой коробочкой, которая могла.
Можно ли перерабатывать традиционные автомобильные аккумуляторы? Автомобильные аккумуляторы можно и нужно утилизировать, поскольку они содержат химические вещества, которые могут нанести вред окружающей среде, если их не утилизировать должным образом.
Переработка старых аккумуляторов снижает количество отходов и предотвращает попадание потенциально опасных продуктов, таких как свинец, в грунтовые воды. Поскольку до 99 процентов свинцово-кислотных аккумуляторов подлежат вторичной переработке, это также снижает потребность в использовании нового сырья и компонентов.
Можно ли перерабатывать аккумуляторы электромобилей?К счастью, да, аккумуляторы для электромобилей (и гибридов, если уж на то пошло) можно перерабатывать. На протяжении десятилетий немногие электромобили на дорогах питались от свинцово-кислотных аккумуляторов. В новейших моделях с их меньшим весом и большей дальностью действия используются литий-ионные батареи, как в ноутбуках и сотовых телефонах. В любом случае аккумуляторы, питающие электромобили, могут быть переработаны.
В случае свинцово-кислотных аккумуляторов старой технологии можно восстановить 96 процентов материалов в аккумуляторе, включая опасный свинец. Для сравнения, в процессе переработки извлекается только 38 процентов материала из стеклянных бутылок.
Некоторые автомобильные аккумуляторы также можно перезаряжать и использовать повторно вместо переработки.
Современные гибридные автомобили, такие как Toyota Prius, используют никель-металлгидридные батареи, которые можно разобрать и переработать таким же образом.
Перепрофилирование аккумуляторов для электромобилейКогда аккумуляторы в автомобиле с литий-ионным двигателем считаются слишком изношенными для вождения, их срок службы еще может составлять до 70 процентов. Поэтому, прежде чем они попадут в центр утилизации, эти батареи иногда объединяют и используют для стабилизации энергосистемы, особенно вместе с источниками энергии, которые могут быть не такими устойчивыми, как энергия ветра или солнца. Аккумуляторы могут накапливать энергию, чтобы поток электроэнергии оставался ровным, а не менялся в зависимости от погоды.
Такие производители, как Nissan и Renault, используют старые батареи для предоставления новых услуг. В Японии Nissan перепрофилировал аккумуляторы для питания уличных фонарей.
У Renault есть батареи для резервного питания лифтов в Париже, а GM резервирует свой центр обработки данных в Мичигане с помощью бывших в употреблении батарей Chevy Volt. Старые батареи также могут быть полезны для хранения солнечной энергии и резервного копирования традиционных электрических сетей. Кроме того, частные компании, такие как британская Powervault и австралийская Aceleron, создали технологии, которые могут превращать батареи в домашние накопители электроэнергии, аккумуляторы для электрических велосипедов и другие инструменты. General Motors Co., BMW AG, Toyota Motor Corp., BYD Co. и несколько поставщиков возобновляемых источников энергии входят в число тех, кто пытается создать рынок послепродажного обслуживания, получая тем самым дополнительную прибыль. — источник, Национальный институт энергетических исследований
Поскольку автомобили с литий-ионными батареями только сейчас выходят на массовый рынок, центры по переработке, которые могут утилизировать их компоненты, также все еще находятся в зачаточном состоянии.
Еще многое предстоит сделать для повышения эффективности наших процессов переработки аккумуляторов.
Что еще более важно, мы должны учитывать, насколько важно, чтобы производители включали планы утилизации, когда они производят электромобили в первую очередь. Производители автомобилей должны учитывать, что произойдет с батареями в автомобилях, которые они производят, как часть производственного процесса. Имея план «от колыбели до могилы» для батарей в электромобилях, автомобильная промышленность может многое сделать для улучшения нашей окружающей среды и, возможно, даже для увеличения прибыли.
Почему важно утилизировать аккумуляторы электромобилей
Хотя многие страны собирают аккумуляторы для переработки, они часто не перерабатываются должным образом. На самом деле, в таких странах, как Хорватия, уровень собираемости платежей в Европе достигает 96%. Но фактические показатели утилизации в Европейском Союзе составляют около 7%. В США менее 5%.
Существует множество причин, по которым утилизация литий-ионных аккумуляторов еще не является общепризнанной практикой.
Правительственные законы, необходимость удерживать цены на низком уровне, отсутствие надлежащей инфраструктуры и объектов, а также простое отсутствие осведомленности — все это способствует отвратительно низким показателям утилизации аккумуляторов электромобилей.
До сих пор большая часть усилий по улучшению переработки литий-ионных аккумуляторов была сосредоточена в относительно небольшом количестве академических исследовательских групп, обычно работающих независимо.
Под влиянием огромного количества израсходованных литий-ионных аккумуляторов, которые скоро появятся в устаревших электромобилях и вездесущей портативной электронике, начинающие компании коммерциализируют новую технологию переработки аккумуляторов.
Законы меняются, поскольку правительства все больше осознают необходимость контролировать опасные материалы. В марте 2018 года Китай обязал всех производителей автомобилей перерабатывать все автомобильные аккумуляторы.
Как на самом деле перерабатываются автомобильные аккумуляторы? Когда литий-ионные батареи попадают на завод по переработке, их можно измельчить двумя способами.
Если они полностью без заряда, их просто измельчают, чтобы можно было легко отделить металлические компоненты, такие как медь и сталь. Однако, если батареи все еще могут быть заряжены, они заморожены в жидком азоте и разбиты на куски. Жидкий азот такой холодный, что батареи не реагируют, так что разбивать его безопасно. Затем металлы разделяют и сортируют для повторного использования.
Что касается лития, то его гораздо сложнее извлечь. Для производства одной тонны лития требуется 250 тонн минеральной руды сподумена при добыче или 750 тонн богатого минералами рассола. Поскольку это такой интенсивный процесс, это редко делается. Не говоря уже о том, что на переработку лития денег нет. В настоящее время переработка лития обходится в 3 раза дороже, чем его извлечение из земли.
Нам еще предстоит пройти долгий путь по переработке аккумуляторов для электромобилей. Но мы делаем успехи, и есть много компаний, которые находятся в авангарде. Все начинается с осведомленности, и Recognized Trading & Shipping уже серьезно думает о будущем.