Новейшие разработки аккумуляторов для электротранспорта

Новейшие разработки аккумуляторов для электротранспорта

Так сложилось, что процесс совершенствования аккумуляторов проходит гораздо медленнее, чем совершенствование технических и электронных устройств, для питания которых используются аккумуляторы. И хотя термин «аккумулятор» у нас устойчиво ассоциируется с автомобилями, в автономном источнике питания нуждается огромное количество мобильных устройств. Каждый тип из них имеет технологические предпочтения и специфику применения автономного источника питания. Поэтому, идеального, универсального аккумулятора на сегодняшний день не существует и быть не может.
 
Если от автомобильного аккумулятора требуется подача мощного тока в короткое время, то от аккумуляторов, питающих мобильное устройство, или от тяговых аккумуляторов электровелосипеда требуется подача небольшого тока в протяжении длительного времени. От любого аккумулятора (аккумулятора для электровелосипеда - в том числе) требуется хранить электроэнергию, соответственно требуемым  параметрам  потребителя;  отдавать ее в нужном объёме при минимальных потерях и иметь длительный срок службы (количество циклов зарядки-разрядки, без существенного ухудшения основных параметров). Следует отметить, что длительность службы аккумулятора зависит от устройства и типа  химических реакций, которые в нём протекают, рабочей температуры, методов его зарядки и глубины разрядки, скорости саморазряда.
 
Среди современных аккумуляторов можно выделить следующие основные типы:  свинцово-кислотные различных конструкций, NiCd – никель-кадмиевые, NiMH – никель-металлгидридные,  Li-ion – литий-ионные, которые подразделяются на  литий марганцевые,  Li-Pol – литий полимерные и литий железофосфатные. Выпуск перечисленных типов аккумуляторов  различных  размеров,  номинального напряжения и емкости дает возможность удовлетворить самые разнообразные потребности современных пользователей. Добавьте к этому специфические свойства некоторых аккумуляторов, которые обеспечивают высокие характеристики в особых режимах и специфических условиях эксплуатации. Международные стандарты дают возможность использовать аккумуляторы различных производителей, так как обеспечивают их взаимозаменяемость. Основными конструктивными вариантами современных аккумуляторов являются цилиндрические, плоские и в форме прямоугольного бокса.
 
Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы являются  самыми старыми перезаряжаемыми аккумуляторами. Это самые дешевые автономные источники энергии для электровелосипедов и всевозможных «бесперебойников». Главным недостатком SLA является выделение газов, характерное для всех типов  свинцово-кислотных батарей. Чем он грозит? - Преждевременным выходом аккумулятора из строя из-за отсутствия электролита. Уменьшить выход газов можно, понизив напряжение при зарядке. Но, в этом случае аккумулятор не зарядится до номинального напряжения.  Однако, при этом следует отметить значительные плюсы SLA:  даже при низком напряжении они удерживают номинальную силу тока, обеспечивают питание без сбоев, имеют относительно низкую цену (дешевле - только свинцово-кислотные аккумуляторы стартерного типа). Поэтому, если вес и габариты аккумулятора несущественны и при низкой стоимости требуется значительная мощность, то использование SLA аккумулятора  для электровелосипеда вполне оправдано. Низкий саморазряд, простота в обслуживании и отсутствие эффекта памяти делает SLA во многих  областях  оптимальным решением.  К недостаткам SLA аккумуляторов можно отнести длительность их зарядки (6 - 8 часов). Они не любят  глубокой  разрядки, а пребывание длительное время в разряженном состоянии может привести к сульфатации. Типичное SLA устройство рассчитано на 300-500 рабочих циклов, что не является  желаемым  показателем для потребителей.
 
Никель-кадмиевые аккумуляторы выгодно отличает простота в обслуживании и отсутствие выделение газа.

Никель-кадмиевые аккумуляторы
Эти аккумуляторы хорошо выдерживают длительные нагрузки, существенно не меняют функциональных свойств  при сниженных температурах. При аналогичных габаритах и весе NiCd устройства несколько уступают по емкости другим аккумуляторам. С появлением новых технологий использование NiCd аккумуляторов резко сократилось. Но, со временем, были выявлены значительные недоработки новых моделей аккумуляторов  и спрос на NiCd устройства снова возрос.  В настоящее время, из всех выпускаемых в мире аккумуляторов для переносного оборудования, около половины составляют NiCd устройства. Но наряду с плюсами данный тип аккумуляторов имеет и определенные минусы. NiCd аккумуляторы обладают максимальной емкостью, не превышающей 3000 mA/ч и обладают эффектом памяти. Для зарядки NiCd предпочтительнее использовать импульсный заряд и быстрый режим с увеличенным током. Постоянное совершенствование технологии помогает свести к минимуму минусы NiCd аккумуляторов. Новые  технологии позволили  избавиться от эффекта памяти и значительно продлила срок службы NiCd аккумуляторов.
 
Никель-металл-гидридные аккумуляторы появились, как альтернатива NiCd.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы
Благодаря аноду, на основе абсорбирующего водород сплава удалось значительно увеличить плотность энергии и удельную емкость аккумулятора. Это позволило NiMH устройствам найти применение в тех областях, где на первый план выходит длительность непрерывной работы, а не высокий ток. При высокой удельной энергии и механической прочности NiMH аккумуляторов, им присущ целый ряд недостатков. Сравнительно небольшое число циклов зарядки-разрядки (около 500), предпочтительность поверхностного разряда, значительное выделение тепла при зарядке, продолжительное время зарядки, высокий саморазряд, небольшой диапазон рабочих температур – основные минусы данного типа аккумуляторов.
 
Литий-ионные аккумуляторы уверенно приходят на смену традиционным батареям.

Они обладают большей емкостью и дают на одном элементе более высокое напряжение. К заявленному производителями количеству рабочих циклов Li-ion аккумуляторов стоит отнестись критически, так как реальной статистики  по этому параметру еще мало, а декларируемым характеристикам можно верить  не всегда, а скорее, - при идеальных условиях эксплуатации. Стоимость Li-ion аккумуляторов достаточно высока, так как высокая химическая активность лития значительно осложняет процесс изготовления данных аккумуляторов. Чтобы обезопасить потребителей  при нештатных режимах эксплуатации аккумуляторов,  производители Li-ion батарей для электровелосипедов, электромобилей и другого электротранспорта,  предприняли ряд попыток заменить металлический  литий  на его соединение с другими металлами в оксидах. Теперь «литиевые батареи» включают источники питания с различной химической начинкой: SO Cl2,  SO,  NiO2,  MnO2 и другие.  Аккумуляторы стали более безопасными в процессе зарядки-разрядки. На сегодняшний день главным «минусом» Li-ion аккумуляторов является их высокая цена. К неоспоримым преимуществам следует отнести самый высокий на сегодняшний день уровень удельной емкости и самую высокую плотность разрядного тока. Саморазряд Li-ion аккумуляторов не превышает 3% в месяц, количество рабочих циклов  может достигать  2000, широкий диапазон рабочих температур, продолжительный (до 10 лет) срок службы – все это составляет основные преимущества Li-ion аккумуляторов, в сравнении с традиционными. Li-Pol аккумуляторы не имеют принципиальных отличий с технологией Li-ion. Однако, они могут иметь самую разную геометрическую форму. Это позволяет аккумулятору заполнить свободное пространство миниатюрных портативных устройств.
На сегодняшний день литий ионные, литий полимерные  и литий железофосфатные аккумуляторы являются наиболее перспективными. Хотя, каждая из  электрохимических систем имеет свои неоспоримые преимущества. Новых разработок в области электрохимических технологий довольно много. Справедливости ради стоит сказать, что, зачастую появившись и нашумев, эти новинки быстро исчезают, не выдержав испытание временем или даже не дойдя до стадии серийного производства.
 
Однако, в последнее время появились экспериментальные образцы, о которых стоит сказать подробнее.
   
В настоящее время учеными Массачусетского института технологий разрабатывается катод для литиевых аккумуляторов  на основе углеродных нанотрубок. Эта технология поможет хранить и высвобождать значительно больше положительных ионов, в сравнении с традиционными литиевыми аккумуляторами. Новый катод способен увеличить количество энергии электрической батареи и увеличить скорость электрического потока в 10 раз. Перспектива развития новых катодов будет способствовать улучшению твердотелых конденсаторов и приведет к комбинации аккумулятор-конденсатор. Это позволит хранить и поставлять большее количество электроэнергии, в сравнении с существующими устройствами.
 
Разработка ученых Университета штата Колорадо носит название 3D блок. Здесь графитовый электрод заменен микроскопически тонкими медными проводами. Они накапливают ионы по всей поверхности. Нанопроволока позволит литиевому аккумулятору вмещать и производит значительно больше энергии. Частичное финансирование этого перспективного проекта осуществляет Министерство энергетики США.
 
Целью разработок технологий аккумуляторов нового поколения специалистами компании IBM является увеличение диапазона пробега автомобиля на батарейном питании до 800 км. Литий-воздушные батареи, разрабатываемые компанией, будут обладать значительно большей плотностью энергии в сравнении с Li-ion аккумуляторами. Разработчики утверждают, что карбоновые электроды новых аккумуляторов обеспечат более длительный период работы на одной подзарядке. Технология контроля над кислородом разработана специалистами IBM на молекулярном уровне и держится в секрете.
 
Группой ученых Северо-Западного университета под руководством Гаральда Х Куна изучается возможность использования в аккумуляторах кремневых электродов. Это, по мнению разработчиков, позволит достичь большей емкости и диапазона работы аккумулятора. Тенденция кремния к расширению и сокращению при поглощении и высвобождении  ионов дает возможность  литиевому  аккумулятору хранить в несколько раз больше ионов и перемещать их с большей скоростью. Это значительно сократит время зарядки аккумуляторов.
 
Ученая группа из Мичиганского технологического университета занимается разработкой устройства накопления энергии, объединяющего  аккумулятор  с конденсатором. Особенностью устройства является использование в качестве катода уникальной углеродной пены. Это увеличит емкость гибрида, уменьшит его вес, даст возможность производить больший заряд, в сравнении с обычным конденсатором. Устройство рассчитано на 1000 циклов, без снижения производительности.
 
Учеными из Калифорнийской Национальной лаборатории разрабатывается литий-кремневый полимерный аккумулятор, сохраняющий больший уровень энергии и структуру кремневых электродов во время заряда и разряда.
Способность кремния к аккумулированию большого количества ионов лития заинтересовало и ученых Стенфордского университета. Значительное расширение кремния при поглощении ионов способствуют разрушению проводимости анода. Поэтому, учеными были изготовлены кремниевые нановолокна, снижающие этот эффект. Кроме того, покрытая слоем серы внутренняя поверхность углеродных нанотрубок позволяет аккумулятору в 10 раз больше производить энергию. Добавим, что сера – более дешевая и экологически чистое покрытие для электродов.
 
Компания Envia Systems занято разработкой нового катодного материала на основе марганца. Этот металл достаточно устойчив при использовании в изготовлении аккумуляторных батарей и относительно дешев. Разработчики утверждают, что благодаря новым аккумуляторам диапазон пробега электромобилей будет составлять 500 км.
Как видим, во всем мире ведутся интенсивные поиски и разработки новых экспериментальных аккумуляторов, которые в будущем придут на смену ныне существующим.