В аккумуляторах предложили использовать калий и титан
Исследователи из Сколтеха создали катод для аккумулятора на основе титана и калия. Это позволит отказаться от использования редкого и дорогого лития, который, к тому же, огнеопасен и токсичен. Новые батареи могут пригодиться для промышленных накопителей и крупной техники. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
В большинстве современных аккумуляторов используется литий, в том числе — в семействе литий-металл-фосфатных аккумуляторов. Батареи этого типа обладают бо́льшим размером и весом по сравнению с литий-полимерными, используемыми в мобильной технике, но зато они стабильнее и надежнее. Проблема в том, что литий — довольно дорогой и токсичный металл, который, к тому же, не так просто добыть: его основные месторождения находятся в Австралии и Чили.
Ученые из Сколковского института науки и технологий во главе со Станиславом Федотовым придумали, как отказаться от использования лития и применять только дешевые доступные материалы. Любой аккумулятор состоит из катода (положительного электрода), анода (отрицательного) и электролита (соединяющего их материала). При заряде ионы лития перетекают с катода на анод, при разряде — обратно. Исследователи предложили использовать вместо них ионы калия и изготавливать катод из KTiPO4F (фторид калий-титан-фосфата). Соединения титана ранее рассматривались как неподходящие для катода, так как считалось, что они обладают низким окислительно-восстановительным потенциалом.
Фторид калий-титан-фосфата получают удобным для промышленного производства методом: в реактор помещают сырье, перемешивают и выдерживают несколько часов при температуре 200 градусов Цельсия. Затем получившийся порошок сушат и прокаливают в печи. Изготавливаемый из этого порошка электрод при использовании в аккумуляторе обеспечивает напряжение в 3,6 вольта, что примерно равно напряжению широко распространенных литий-железо-фосфатных батарей. Новый источник энергии может использоваться в энергетике для компенсации суточных колебаний ветровых и солнечных генераторов, для аварийного питания предприятий, а так же электросамокатах и автопогрузчиках.
Поиск дешевого и надежного способа хранения электроэнергии — одна из главных проблем на пути возобновляемой энергетики, так как потоки воздуха, воды и солнечного света не поддаются человеческому контролю. Для более стабильного потока электричества с зеленых электростанций применяют разные уловки, например, делают ветряк летающим или размещают их неравномерно.
Несколько слов об аккумуляторных батареях (АКБ)
Это химический источник электричества. Сердце электропогрузчика, это самая дорогая его запчасть.
К выбору АКБ надо подойти со всей серьезностью. Поскольку это определит схему работы погрузчика.
На сегодня используются три основных типа батарей – щелочные, кислотные и литий-ионные.
Основные типы
Щелочные практически ушли со сцены, поскольку очень дороги как в покупке, так и в обслуживании.
Кислотные, в разных вариантах исполнения занимают большую часть рынка складской техники.
Литий-ионные
Литий-ионные – относительно новый тип, который только начинает использоваться в складской технике. Это те же батареи, что используются в современных смартфонах. Заметными преимуществами – высокая плотностью энергии, возможностью подзаряда дают ясные перспективы для использования. Но главный их недостаток – цена. Именно стоимость является причиной относительно небольшого распространения этих типов батарей на средствах напольного транспорта.
Свинцово-кислотные АКБ
В качестве анода выступает свинец, катода – окись свинца, а электролит – кислота. Технология изготовления достаточно совершенна и общеизвестна.
Недостатком использования классических кислотных с жидким электролитом является стоимость обслуживания. Для нормальной эксплуатации необходим специалист – аккумуляторщик и специальная оборудованная зарядная комната. При зарядке выделяется взрывоопасный газ – водород, а также необходимо проверять и доливать в батарею дистиллированную воду. Кроме этого, сам процесс зарядки занимает 8 – 12 часов. Проводить подзаряд не рекомендуется. Только полный разряд и полный заряд. Если упустить что-либо из этого процесса, то срок службы резко сократится.
Все это вместе привело к разработке новых типов кислотных батарей, обслуживание которых было бы упрощено, не требовалось бы использование зарядных комнат и специально подготовленного специалиста.
Расчетное время жизни:
1500 циклов заряд/разряд
Гелевые
Следующим этапом развития кислотных стали батареи, в которых электролит был не жидким, а связанным. Например – гель.
Это достаточно распространенный класс кислотных АКБ, которые по конструкции повторяют классические, но в электролит добавлен желирующий агент – гелевые батареи.
В результате получились необслуживаемые, для зарядки которых не требуются зарядные комнаты.
Правда зарядные устройства для этих батарей дороже обычных. Гель проводит электричество хуже, чем жидкость, поэтому внутреннее сопротивление выше, чем в классических. Как следствие – у этих есть ряд серьезных недостатков – меньший жизненный цикл, запрет на интенсивную эксплуатацию, опасность перегрева, большое время заряда, опасность перегрева и так далее. Конечно, цена гелевых АКБ выше, чем цена обычной кислотной.
Тем не менее, они очень широко распространены и рекомендованы для использования в пищевой и фармацевтической промышленности.
Расчетное время жизни:
1200 циклов заряд/разряд
Absorbent Glass Mat (AGM)
Для устранения этих недостатков были разработаны новые типы батарей, в которых увеличена площадь электродов при помощи использования тонких платин из сверхчистого свинца. Для связывания электролита стали использовать сорбент Absorbent Glass Mat (AGM). В результате получились необслуживаемые, с относительно низким внутренним сопротивлением, способные выдерживать большой ток зарядки без выделения водорода. Следствием этого стало уменьшение времени заряда, и возможность проводить подзаряд. Соответственно, для обеспечения такого режима заряда зарядное устройство должно быть мощнее, чем обычное. Время заряда 5 часов, за 1 час возможен подзаряд на 40%. Такое ЗУ дороже, как, впрочем, дороже и сама АКБ.
Возможность использования подзаряда позволяет работать на одной батарее больше, чем одну смену.
Примером является NexSys от компании EnerSys.
Этот тип объединил в себе преимущества всех типов.
От литий ионных – возможность безболезненного подзаряда, от гелевых отсутствие необходимости в зарядных комнатах и обслуживании, от кислотных – проверенная технология и пожаробезопасность. По цене комплект АКБ NexSys + ЗУ сопоставимо с комплектом Гелевая батарея + ЗУ.
Расчетное время жизни:
1500 циклов заряд/разряд
Литий-ионные АКБ (ЛИА)
Существует множество различных видов литий-ионных батарей (ЛИА). Проблема безопасности, отражённая во множестве историй про взорвавшиеся телефоны, существует. В отличие от свинцовых, там есть чему гореть. Поэтому для промышленного применения используют ячейки на основе Литий-Железо-Фосфатов (LiFePO4). В результате при высокой плотности энергии получили относительно низкую пожароопасность.
Эти необслуживаемые, быстро заряжаются, время полного заряда не превышает 2 часа. Поэтому при правильной организации эксплуатации техники с ЛИА с подзарядом возможна круглосуточная работа без замены АКБ. Конечно, ЛИА дороже чем остальные виды АКБ.
Расчетное время жизни:
5000 циклов заряд/разряд
Сравнительная таблица по разным видам АКБ
| Тип | Подкласс | Преимущества и сферы применения |
Недостатки |
|---|---|---|---|
| Щелочные батареи | Долговечность. В армии и обороне. |
Высокая стоимость и дорогое обслуживание. | |
| ЛИА | Быстрый заряд, возможность подзаряда, необслуживаемые. Могут применяться повсеместно. |
Самая высокая стоимость и более высокая пожароопасность |
|
| Кислотные батареи | Классические батареи с жидким электролитом |
Самый распространённый вид батарей из-за низкой цены. Повсеместно. |
Высокая стоимость обслуживания – необходимость в зарядных комнатах и специалистах, большое время заряда и запрет подзаряда. |
| Гелевые батареи | Широко используемые в пищевой и фармакологической отраслях, низкая стоимость владения. |
Высокая стоимость батареи, малый ресурс, большие риски перегревов, большое время заряда и запрет подзаряда. |
|
| NexSys | Большой ресурс, возможность подзаряда, большая скорость заряда, использование с большой интенсивностью. |
Высокая стоимость батареи и зарядного устройства. |
Какой металл используется в аккумуляторных батареях?
Аккумуляторные батареи являются важными компонентами различных электрических устройств и систем, включая автомобили, системы хранения возобновляемой энергии и портативные электронные устройства. Эти батареи хранят и выделяют энергию по мере необходимости, что делает их жизненно важными для функционирования многих современных технологий. Одним из ключевых компонентов аккумуляторных батарей является металл, используемый в их конструкции. В этой статье мы рассмотрим типы металлов, обычно используемых в аккумуляторных батареях, и их свойства.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Вести
Наиболее распространенным металлом, используемым в традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, является свинец. Свинец — очень пластичный и плотный металл, что делает его подходящим выбором для изготовления аккумуляторов. Он обычно используется в виде диоксида свинца и металлического свинца в положительных и отрицательных пластинах батареи соответственно. Свинцово-кислотные аккумуляторы известны своей надежностью и низкой стоимостью, а свойства свинца делают его идеальным выбором для этих целей.
Литий-ионные аккумуляторы
Литий
Литий-ионные аккумуляторы приобрели популярность в последние годы благодаря своей высокой плотности энергии и относительно небольшому весу. В конструкции этих батарей в качестве ключевого компонента используется литий. Литий — это высокореактивный металл, который может хранить большое количество энергии, что делает его идеальным для применений, где вес и энергоемкость являются решающими факторами. Хотя литий-ионные батареи дороже свинцово-кислотных, они широко используются в портативных электронных устройствах и электромобилях из-за своих превосходных характеристик.
Кобальт, никель и марганец
Помимо лития, литий-ионные аккумуляторы также содержат в своих катодах другие металлы, такие как кобальт, никель и марганец. Эти металлы играют решающую роль в общей производительности батареи, влияя на такие факторы, как плотность энергии, стабильность и стоимость. Конкретный состав этих металлов может варьироваться в зависимости от производителя батареи и предполагаемого применения батареи.
Никель-металлогидридные (NiMH) батареи
Никель и редкоземельные металлы
Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы широко использовались в портативных электронных устройствах до широкого распространения литий-ионных аккумуляторов. В качестве ключевых компонентов в этих батареях используется комбинация никеля и редкоземельных металлов. Хотя NiMH-аккумуляторы имеют меньшую плотность энергии по сравнению с литий-ионными, они известны своей превосходной надежностью и относительно низкой стоимостью.
Заключение
В целом, металл, используемый в аккумуляторных батареях, играет решающую роль в определении производительности, стоимости и пригодности батареи для различных применений. Будь то свинец в традиционных свинцово-кислотных батареях, литий в литий-ионных батареях или комбинация никеля и редкоземельных металлов в NiMH батареях, выбор металла оказывает существенное влияние на общую функциональность и эффективность аккумуляторных батарей.
Понимание свойств и характеристик этих металлов имеет важное значение для постоянного развития технологии аккумуляторных батарей, поскольку исследователи и производители стремятся создать более эффективные и устойчивые решения для хранения энергии.
Существует ли различие литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов
При объяснении принципов работы аккумулятора многие продавцы умышленно или непреднамеренно допускают ошибки в терминологии, порой значительно преувеличивая достоинства некоторых из них.
Всем известно, что литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких частей. Внутри него находятся два электрода, разделяющий их сепаратор и электролит – химический раствор или вещество (если электролит твердый), в котором и происходит процесс накопления или отдачи электрической энергии.
В настоящее время разработки аккумуляторов с твердым электролитом не могут идти далее, не разрешив проблему преодоления высокого сопротивления используемого вещества. Поэтому, практически все аккумуляторные батареи литий-ионного типа включают жидкий электролит (даже если он сухой на ощупь, так называемого гибридного типа, по химическому составу это тоже самое).
Возникновение «полимерных» аккумуляторов
По типу корпуса или способу упаковки аккумуляторные батареи делятся на несколько видов.
Аккумуляторы с использованием цилиндрических ячеек, которые применяются, в основном, в ноутбуках.
Аккумуляторы с использованием призматических ячеек, в алюминиевом корпусе, прямоугольные или квадратные, если смотреть на них в разрезе, широко применяются в автомобильной промышленности.
Аккумуляторы с использованием ячеек типа pouch-bag – это модификация предыдущего варианта, в мягкой оболочке, в которой для удешевления отсутствует система защиты. Такие аккумуляторы применяются в различных гаджетах. Именно их и стали называть «полимерными» по причине упаковки их в полимерный корпус, либо использования полимерного сепаратора для разделения анода и катода, хотя на самом деле это те же самые литий-ионные.
Ошибка противопоставления
Активно предлагая покупателю товар, продавец может противопоставить литий-полимерному аккумулятору литий-ионный, как обладающий худшими характеристиками. При этом под литий-полимерным подразумевается батарея либо якобы имеющая полимерный электролит (на самом деле он – гибридного типа), либо для облегчения или удешевления заключенная в полимерную оболочку (а внутри имеющая ту же литий-ионную начинку).
Также, противопоставление умозрительному «обычному» литий-ионному аккумулятору некорректно, потому что их не существует. Они все разные, как по названию, так и по назначению.
Путаница в наименовании аккмуляторов
Название аккумулятора может «опираться» на материал одного из электродов. К примеру, литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор, или NCA отличается от литий-никель-марганец-кобальт-оксидного (NMC) тем, что первый назван по материалу анода, а второй – по материалу катода. Какой химический состав в них имеет противоположный электрод – остается лишь догадываться.
На самом деле, каждый разрабатываемый различными производителями аккумулятор имеет свою область применения, где предъявляются повышенные требования к мощности или же к безопасности. Так, самыми безопасными считаются батареи с литий-железо-фосфатным катодом (LFP) и литий-титанатовым анодом. А наиболее емким и менее безопасным – аккумулятор с литий-кобальтовым катодом и графическим анодом.
Ошибка сравнения
Покупателю порой преподносят различные истории о том, как в результате тестирования двух разных аккумуляторов выяснилось, что один из них выдерживает большее количество циклов заряда – разряда. Как правило, при этом для сравнения берутся разные по предназначению батареи, например, те же LFP и литий-кобальтовые аккумуляторы. Только умалчивается как назначение, так и собственно разница продолжительности работы между ними, составляющая, по новым исследованиям, всего лишь около 25%. Однако один из них будет работать дольше и выдавая меньшую мощность, тогда как второй – полностью наоборот.