Литиевые аккумуляторы для мотор колёс электротранспорта

Литиевые аккумуляторы для мотор колёс электротранспорта

Литиевые аккумуляторы различных типов,  на сегодняшний день -  лучшие автономные источники тока для велосипедов с мотор колесом, электромобилей и другого электротранспорта. Кроме того, они повсеместно используются в компьютерной и портативной технике. Ранее для подобных целей служили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные источники энергии, однако литиевые аккумуляторы постепенно вытесняют их с рынка. Сейчас доля таких батарей среди устройств, использующихся для питания ноутбуков, телефонов и другой портативной техники, доходит до 80% и постоянно растёт.

История изобретения.

Первые батарейки, в конструкции которых использовался литиевый анод, появились в 70-х годах 20 века.  Благодаря большой удельной энергии на единицу массы и другим достоинствам,  они быстро нашли применение, осуществив давнее стремление к созданию мощного химического источника тока. Прошло еще 20 лет, и были созданы первые литиевые аккумуляторы. Именно использование лития позволило резко увеличить рабочее напряжение элемента питания и увеличить в несколько раз ёмкость аккумуляторов.
 
   Однако у лития имеется существенный недостаток – слишком большая активность, что в некоторых режимах заряда и разряда, -  приводило к перегреву и  даже взрывам элементов питания. В 80-90-х годах все силы исследователей были направлены на устранение «вентиляции с выбросом пламени», как обтекаемо называли представители по связям с общественностью компаний – производителей аккумуляторов, - бурные реакции возникающие при нештатных режимах  работы литиевых аккумуляторов.
 
   Первые батареи для мобильных телефонов,  бывало, -   взрывались даже при разговоре, когда потребляемый ток максимален, -   и обжигали лицо пользователю.
Из-за подобной нестабильности,  устройство аккумуляторов усовершенствовали: решили использовать не сам литий, а его ионы, что хоть и снижало энергетическую плотность, но вместе с тем делало аккумуляторы безопасными при условии  правильной эксплуатации. Кроме того, исследователи постоянно экспериментировали с различными материалами для создания положительного электрода,  которые позволили бы  продлить срок эксплуатации устройства. После ряда испытаний, лучшими были признаны оксиды молибдена и ванадия. Для анода же начали использовать сплавы лития с алюминием и тяжелыми металлами, что способствовало уменьшению активности лития  и препятствовало возникновению разрушительных  реакций.
 
Современные литиевые  аккумуляторы представлены целым семейством химических источников тока, отличающихся друг от друга параметрами режимов разряда/заряда и энергоёмкостью. Разработчики постоянно разрабатывают новые интеллектуальные схемы контроля, препятствующие повреждению  как батарей, так и устройств, которые от них питаются.

Литий-ионные аккумуляторы

Самыми распространёнными из группы литиевых аккумуляторов,  в наше время  являются литий-ионные аккумуляторы. Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 250-400 Вт*ч/л и 100-200 Вт*ч/кг, внутреннее сопротивление от 150 до 250 мОм и  рабочее напряжение  3.3 – 3.7 В. Необходимо особо отметить отсутствие эффекта памяти, присущего большинству других типов аккумуляторов. Ёмкость литий-ионных аккумуляторов может составлять  сотни ампер-часов, а интервал рабочих температур  от -20 до +60 градусов Цельсия, причём  существуют  модели, способные работать даже при -40 градусах.
Литий-ионные аккумуляторы, даже не подключённые к нагрузке,  самопроизвольно разряжаются.
Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различной температуре

За первый месяц - примерно на 5% от ёмкости, за следующие 12 месяцев еще на 10-20%. Ресурс использования этих аккумуляторов – от 500 до 1000 циклов зарядки-разрядки. Оптимальная температура  хранения (+10 …+15 градусов Цельсия) и соблюдение правильных условий зарядки продлевают срок работы устройств. При правильной эксплуатации он  может достигать 5-7 лет.
 
Особенностью этого типа аккумуляторов является низкая устойчивость к перезаряду. При значительном перезаряде возникает угроза теплового саморазогрева,  повышения давления, разгерметизации и как следствие – выход из строя. Для предотвращения разрушения аккумуляторов от неправильной эксплуатации в большинстве батарей есть устройства защиты, препятствующие превышению заряда выше порогового значения. В литиевых аккумуляторах ТМ «Volta bikes» такая схема является стандартной. Наиболее совершенные по конструкции аккумуляторы имеют механический выключатель, срабатывающий при увеличении внутрикорпусного давления.

А вот в литиевых батареях, имеющих в своём составе марганец, защита не применяется, потому что этот  этот элемент препятствует быстрой металлизации анода и сам является защитой от  бурных реакций.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-полимерный аккумулятор для электровелосипеда  Li-pol аккумуляторы являются усовершенствованными моделями литий-ионных источников энергии. Используются преимущественно для питания компьютерной и мобильной портативной техники. В конструкции таких батарей вместо жидкого органического электролита используется твёрдый, полимерный. При этом снижается вероятность его утечек и повышается безопасность эксплуатации устройства.

В результате внедрения в некоторые полимеры ионов лития, их проводимость увеличивается  на порядок, что и позволяет использовать их в качестве замены стандартного электролита.
В наше время все источники такого типа делятся на три группы:
•    сухие электролиты на основе полиэтиленоксида с солями лития;
•    гомогенные гель-полимерные электролиты, образованные при внедрении в полимер пластификатора-растворителя;
•    неводные растворы солей Лития, сорбированные в полимерной матрице.
Li-pol аккумуляторы имеют меньшую ионную проводимость, по сравнению с Li-ion, к тому же снижается диапазон рабочих температур. Еще одним недостатком можно считать малое количество рабочих циклов (300- 500), при разрядных токах в 2С. Это немного, по сравнению с NiCd- (1000 циклов), NiMH – (500 циклов), LiFePO4 – (2000 циклов). Однако достоинства литий-полимерных аккумуляторов перевешивают их недостатки.
 
Безопасное использование, компактные размеры, толщина элементов от 1 мм, любые формы и конфигурации выполнения, большие плотности тока на единицу площади – всё это позволяет использовать литий-полимерные аккумуляторы для портативной аппаратуры, телефонов, компьютеров и цифровой техники. По сравнению с литий-ионными аккумуляторами, они имеют существенно более высокие показатели в тестах на безопасность использования.

 Эксплуатационные параметры Li-pol аккумуляторов практически не отличаются от показателей литий-ионных и всецело зависят от типа и качества полимера, используемого для конкретной батареи. В настоящее время большинство литий-полимерных аккумуляторов представляют собой  аккумуляторы с гелевым электролитом, конструкции с сухим электролитом  постепенно вытесняются с рынка.
 
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

Кроме двух основных видов литиевых аккумуляторов, описанных выше, большой популярностью пользуется литий-железо-фосфатный аккумулятор, который в качестве катода использует сплав LiFePO4. Этот материал был создан в 1996 году. По сравнению с традиционным LiCoO2  он обладает меньшей  токсичностью и большей устойчивостью к колебаниям температуры окружающей среды, однако несколько меньшей ёмкостью. Энергетическая плотность такой батареи составляет 90–130 Вт*ч/кг  а  напряжение от 2 до 3.65В. Самопроизвольный разряд находится в пределах  от 5 до 10% в месяц, а число циклов заряда/разряда до уменьшения ёмкости на 20% составляет от 2000 до 3000. Именно долговечность литий железофосфатных аккумуляторов определяет их широкое применение в электровелосипедах с мотор колесом. В электровелосипедах ТМ «Volta bikes» тоже обычно применяются литий железофосфатные аккумуляторы. Их можно купить  и отдельно, в качестве источника питания мотор-колеса из набора для переоборудования велосипеда на электротягу.
Требования по эксплуатации этих батарей стандартны, как и для всех литиевых аккумуляторов: соблюдение правильной процедуры зарядки, избегание перезаряда, (что обеспечивают автоматические зарядные устройства) долговременное хранение при умеренных температурах и заряде на 40-50% от полной ёмкости.
 
Перспективы литиевых источников тока

   Учитывая темпы  технического прогресса в электрохимической области, можно предположить, что будущее - за литиевыми аккумуляторами, если конечно,  не случится прорыва в области топливных элементов, о которых мы  неоднократно писали в статьях на нашем сайте. По мере повышения спроса на литиевые аккумуляторы и разработке способов удешевления производства, цена их может несколько снизится и стать более доступной для широкого распространения, как ранее были популярны NiMH-аккумуляторы.

LiFePo4 аккумуляторы в сочетании с солнечными батареями 

Многие научно-исследовательские коллективы в разных странах пытаются создать новые типы аккумуляторов, с более высоким уровнем энергоёмкости и количеством  запасаемой энергии на единицу веса. Ученые разрабатывают  методы скоростного  заряда таких устройств, позволяющие значительно  упростить их эксплуатацию. Использование литиевых аккумуляторов в сочетании с солнечными батареями и другими экологически чистыми источниками энергии уже сейчас позволяет перейти энергетике на новый уровень, - создания автономных энергосистем в масштабах каждого дома или предприятия. Литиевые аккумуляторы уже сегодня стали самым эффективным источником энергии для мотор колес электровелосипедов и электромобилей. В ближайшем будущем, сфера их применения, несомненно, - расширится ещё больше.