Из чего состоит батарея: Принцип работы и устройство аккумулятора

Содержание

Что такое батарейка и из чего она состоит

В настоящее время мир без батареек и автономных аккумуляторов представить уже невозможно. Ведь телефоны, ноутбуки, фонарики, часы, весы и многое другое вплоть до космических кораблей – аккумуляторы есть абсолютно везде. Без них можно было бы забыть о любой автономности и мобильности.

В настоящее время мир без батареек и автономных аккумуляторов представить уже невозможно. Ведь телефоны, ноутбуки, фонарики, часы, весы и многое другое вплоть до космических кораблей – аккумуляторы есть абсолютно везде. Без них можно было бы забыть о любой автономности и мобильности.

Это настолько привычная нам вещь, что мы редко задумываемся о том, как работают гальванические элементы – единственная альтернатива сетевым источникам питания. Хотя это очень интересная тема. Мы разберемся с тем, что внутри батарейки, что она собой представляет и как вообще работает.

Что такое батарейка?

Любая батарея или аккумулятор – это источник электропитания, в котором энергия образуется в результате протекания химических реакций. В зависимости от типа протекающей реакции, выделяют два типа элементов питания:

  • Гальванические. Одноразового действия. Реакция, происходящая в них при выработке электрической энергии, необратима. Ввиду этого такие батарейки нельзя перезаряжать, после выработки ресурса они подлежат утилизации.
  • Аккумуляторные. Их главное отличие и преимущество – обратимость реакции, которая происходит в результате выработки электричества. Поэтому после разрядки такие элементы питания можно зарядить и использовать повторно. (Как правильно заряжать аккумуляторные батарейки)

Любая батарейка на 90% процентов состоит из трех ключевых элементов: анода (подключен к полюсу «-»), катода (подключен к полюсу «+») и электролита. Когда она вставляется в прибор, то подключается к электрической цепи, и в батарейке начинаются окислительно-восстановительные реакции.

Как работают батарейки? И как их выбрать

Как это выглядит на практике. Материал анода окисляется и выделяет электроны, которые и формирующие электроток. Поскольку в ходе реакции образуется избыточное их количество, через электроцепь электроны перемещаются к катоду, где нейтрализуются в ходе процесса восстановления. Электрическое напряжение создается именно благодаря переизбытку электронов на отрицательном полюсе при их нехватке на положительном. 

Фактически ответ на вопрос, как работает батарейка, можно описать следующими принципами:

  1. На отрицательном полюсе производятся свободные электроны, а на положительном – поглощаются.
  2. Реакции высвобождения и поглощения нейтральны по отношению к общему заряду батарейки. При высвобождении электронов также производятся катионы или поглощаются анионы, и наоборот – при поглощении.
  3. Катионы и анионы содержатся в электролите. Основное свойство последнего – свободное перемещение катионов/анионов при блокировке передвижения электродов. 
  4. Мы уже сказали, что в электрической цепи электроны движутся от анода к катоду или от «-» к «+». При этом внутри самой батарейки ионы перетекают от положительного электрода к отрицательному, перенося такой же заряд.
  5. Благодаря тому, что у каждой из двух химических реакций есть свой электрический потенциал, разница между ними и определяет напряжение источника питания. Емкость батарейки зависит от количества материала для реакции.
  6. Когда заканчивается исходный материал для реакции, батарейка разряжается и перестает функционировать.
  7. Аккумуляторы при разрядке подключаются к зарядному устройству с большим потенциалом, благодаря чему в них запускается обратное действие. Фактически, происходит восстановление до практически изначального состояния. Анод постепенно истощается, что в итоге приводит изделие в негодность после определенного количества перезарядок.

Это основное, что требуется знать про то, как работает батарейка. О том, как они отличаются в зависимости от наполнения, и какие вообще виды существуют, мы поговорим чуть дальше.

Что внутри батарейки?

Исходя из того, какие материалы используются внутри источника электропитания, в настоящее время они разделяются на:

  • Солевые или угольно-цинковые. Самая старая разновидность, известная еще с начала ХХ века. Такие батарейки дешевые, но недолговечные и малоэффективные при работе со крупной силой тока. Поэтому их преимущественно вставляют в часы, пульты ДУ, фонарики и прочие маломощные изделия. Состав батарейки этого типа: анод – цинк, катод – марганцево-графитовый стержень, и они погружены в хлорид аммония.
  • Щелочные или Alkaline. По всем параметрам это улучшенная версия предыдущих. У них лучше емкость, напряжение, огромный диапазон температур, при которых они сохраняют свою работоспособность и так далее и т.д. На полках в магазине чаще всего встречается именно этот вид под брендами Duracell, Energizer и другие. Состав батарейки здесь выглядит следующим образом: катод – цинк, порошковый анод – оксид серебра, метагидроксид никеля или двуокись марганца.
  • Литиевые. Современная разработка, которую отличает значительная емкость и долговечность, способность выдерживать большую силу тока. Анод здесь из металлического лития, катод из диоксида марганца, оксида меди и других химических соединения. В качестве проводящей среды используются соли лития.

Что касается аккумуляторов, здесь чаще всего используются никель-металлгидридные, никель-кадмиевые и литий-ионные. Причем последние распространены больше всего. Li-Ion АКБ применяются в телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, шуруповертах и т.д. В качестве катода в них может задействоваться кобальтат лития, литий-марганцевая шпинель или литий-феррофосфат. Анодом выступает графит.

Какие есть батарейки?

Чаще всего под этим источником питания мы подразумеваем пальчиковые и мизинчиковые батарейки, которые официально имеют формат батарейки АА и ААА соответственно. Однако кроме них также на рынке есть такие типоразмеры:

  • АААА. Используются для самых компактных приборов, как-то лазерные указки, LED-фонарики, компьютерные автономные стилусы и т.д.
  • Батарейки тип С. Часто называется «дюймовочкой». Этот вариант применяется в часах, будильниках, игрушках на радиоуправлениях и многих других бытовых приборах.
  • D. В народе более известна как «бочка». Выступает источником питания в устройствах с высоким энергопотреблением: магнитолах, рациях, мощных ручных фонарях и прочих.
  • PP3 или «Крона». Имеет обширную сферу применения.

Надеемся, после прочтения нашего материала, вам стало гораздо понятнее, что такое батарейка, и как она работает.

Как устроен аккумулятор автомобиля и как его заряжать

Запишись на первое бесплатное занятие в Москве Написать в чат WhatsАpp

Теория вождения не подразумевает просвещение в части технического оснащения автомобиля. Поэтому в этой статье мы расскажем вам о сердце авто.

Самым важнейшим элементом питания в автомобиле является аккумулятор, из которого исходит ток, который питает машину. Функций у него много, например: подача питания стартеру для запуска двигателя, либо же подача питания на неактивный двигатель. И в этой статье мы как раз обсудим устройство аккумулятора автомобиля.

На вопрос: «Сколько аккумуляторов в автомобиле ?» — ответом будет — 1. Но возможны случаи добавления дополнительной батареи.

Устройство автомобильного аккумулятора

Батарея машины состоит из 9 различных частей, объединённых одной конструкцией: основной корпус и его крышка, полюсные выводы, сама батарея аккумулятора, токоотводящие борны, разделяющие перегородки, полюсные мосты, блок электродов и сепаратор.

Основной корпус и крышка. Материал изготовления — это эбонит или же пластик, наделенный устойчивостью к кислотам. Вверху, на крышке, находятся каналы, в которые заливаются электролит и дистиллированная вода. Закрываются эти каналы с помощью определенных затычек, имеющих вентиляционные отверстия для выхода газов и паров во время активного периода использования.

Полюсные выводы. Делятся на два типа: положительные и отрицательные. Для исключения путаницы между ними, сделали специальное отличие: положительный вывод имеет больший размер относительного отрицательного.  Помимо прочего, присутствует гравировка со знаком плюса и минуса для исключения ситуации перепутывания выводов.

Батарея аккумулятора состоит из 6 раздельных меньших аккумуляторов, либо же «банок». Они помещены в специальный раствор, который на 35% состоит из серной кислоты и на 65% из дистиллированной воды. Называется — электролит, и требуется для непосредственной выработке тока при взаимодействии химических элементов электролита.

Токоотводящие борны. Они прикрепляются к отрицательным и положительным полюсам выводов, для того, чтобы выводить ток наружу.

Разделяющие перегородки. Они просто служат для разграничения всех аккумуляторов, с целью ограничения их взаимодействия.

Полюсные мосты. Главная их задача заключается в герметизации соединения всех блоков аккумуляторной батареи через перегородку основания, корпуса.

Сами «банки» аккумулятора автомобиля состоят также из нескольких частей:

Блок. Он состоит из :

  • положительных электродов, которые, в свою очередь, созданы из свинцовых пластин в виде решетки, они покрыты специальной массой, состоящей из диоксидов свинца, также, все электроды подсоединены к самому полюсному мосту через специальное отверстие;
  • отрицательных электродов, состоящих также из свинцовых пластин в виде решетки, но они уже пропитаны специальной массой, которая состоит из мелкопористого свинца. Также, через специальное отверстие все электроды проведены к полюсному мосту.

Важное уточнение: то самое количество специального реагента, которое нанесено на решетчатые платины этих электродов (положительных и отрицательных) определяет одну из важнейших характеристик автомобильного аккумулятора — ёмкость, а величина площади этих самих пластин определяют количество пускового тока.

Сепаратор. По стандарту он является неким конвертом, который состоит либо из полиэтилена, либо мипласта, либо же мипора. Его главной задачей является отделение реагентов, которые взаимодействуют друг с другом в электрохимических процессах, еще, помимо всего прочего, он даёт возможность совершения диффузии электролита от первого электрода ко второму.

Важно: амперы аккумулятора автомобиля определяют его возможность и количество отдаваемого тока в течение часа, усредненный показатель — это 50-65 Ампер/час.

Виды аккумуляторов

Теперь стоит обсудить какие аккумуляторы для автомобиля бывают:

Стандартный

Этот вид является самым старым среди всех аналогов, встретить где-либо его в настоящее время будет затруднительно. Он прославился своим параметром саморазрядки и возможностью потери электролитов, вследствие чего будет нуждаться в постоянном контроле, но плюсом выделяют возможность восстановления при полном разряде.

Кальциевые

Этот тип батарей является одним из самых знаменитых и использующихся на данный период времени. В отличие от первого представителя, у этого уровень саморазрядки очень низок, а потери электролитов сведены практически к нулю, что позволяет забыть об обслуживании данной батареи до самого конца ее эксплуатации, контроль также не требуется. Но этот тип нельзя разряжать до нуля.

Гибридные

Следуя из названия можно понять, что это объединение двух вышеперечисленных видов. Следовательно: этот аккумулятор обладает свойствами и стандартной, и кальциевой батареи, что позволяет ему пережить полный разряд, но это не позволяет иметь ему высокие характеристики.

EFB

Эта батарея является кислотной и имеет высокую степень устойчивости к саморазрядке и быструю зарядку. Главным минусом выступает дорогая цена на рынке.

Определять, какие аккумуляторы лучше для автомобиля является личной задачей, так как это гибкое дело, какой-то тип подходит под определенную деятельность лучше другого.

Зарядка, способы, условия

Важно знать, как проверить аккумулятор автомобиля. Есть определенные параметры, по которым можно определить уровень заряда аккумулятора: 12.7 Ватт — 100%, 12.2 Ватт — 50%, 11.7 — 0%.

Теперь стоит обсудить, как заряжать аккумулятор автомобиля зарядным устройством. Если смотреть на зарядку батареи аккумулятора со стороны качества, то рекомендуется зарядить аккумулятор автомобиля с помощью зарядного устройства, так как им можно зарядить до 100% и настраивать определенные параметры. Но этот процесс достаточно трудоёмкий и щепетильный, поэтому многие предпочитают генераторы, ввиду автоматизации всего процесса. Вид зарядки батареи влияет на то, сколько заряжать аккумулятор автомобиля, примерное время — 9 часов.

Для зарядки стоит установить значения на устройстве в районе от 14. 3 до 14.6, затем подключить и ждать конца процесса.

Правильным решением будет заряжать батарею только в тёплом помещении или среде, так как на морозе электролит может частично замерзнуть, что по препятствует зарядке аккумулятора, а если электролит полностью замерзнет, то это приведет к ухудшению его ёмкости.

Если зима относительно тёплая, и температура не падает ниже -15 градусов, тогда можно просто отсоединить минусовую клемму от батареи, тем самым замедлив процесс ее саморазрядки. Если же температура уходит в сильный минус, тогда стоит разместить аккумулятор в помещении, желательно в тёмном уголку, без попадания прямых солнечных лучшей. Температура в этом месте не должна падать ниже минус 3-5 градусов, желательно выше. Влажность воздуха помещения должна быть на среднем уровне, ни в ком случае не на высоком, также рекомендуется регулярное проветривание.

Так же важно знать, как завести автомобиль, если сел аккумулятор. Выжимаем сцепление, переключившись на 3 передачу, когда вы наберете скорость примерно 15км/ч стоит медленно отпустить педаль.

Обслуживание

  • Среди всех видов обслуживания аккумуляторных батарей выделяют несколько процедур:
  • Проверка качества, состояния и уровня электролита батареи (как в вытянутом состоянии, так и в самом автомобиле)
  • Осмотр внешней оболочки, выявление внешних повреждений
  • Проверка напряжённости выводов аккумулятора автомобиля в отключённом от машины состоянии
  • Проверка напряжения аккумулятора автомобиля при присоединённом и активированном состоянии

Аккумулятор автомобиля — важная часть во всём сложном механизме под названием «автомобиль». Без него не функционируют стандартные и необходимые для эксплуатации машины функции. И для того, чтобы продлить срок службы этой детали, соблюдайте требования, являющиеся обязательными к исполнению для нормальной жизнедеятельности.

Если вы запланировали обучение в автошколе, то данная статья вам будет полезна, так как основы устройства автомобиля необходимо знать каждому водителю.

Как создают аккумуляторные батареи / Хабр

Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.

Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.

Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.

Li-ion — литий-ионные


Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.


Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник

Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.

Li-po — литий-полимерные


Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.

Li-po и технологии


Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.

Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.

Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.

Li-po vs Li-ion

Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.

Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.

Литий


Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.

Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.

Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много.

На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.

Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.

Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.

Извлечение лития


Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.

Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.


Литиевый соляной пруд в Аргентине.

Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.

Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.

Другие химические элементы


Составляющие стоимости Li-ion батареи.

Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.

Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.

Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.

Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.

В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.


Строение Li-po батареи

Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).

Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.

Процесс производства батареи


Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.

Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.

Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.

В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.


Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/

Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.

* * *

В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.

Из чего состоит корпус аккумулятора. Что внутри банок?

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена. Этот материал выбран не случайно. Он легкий, а так же не вступает в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, которые порой достигают диапазона от -30̊ С до +60 ̊С под капотом Вашего автомобиля.

Давайте разберем из каких элементов состоит сам корпус аккумуляторной батареи.

Итак, большинство АКБ имеют такие элементы:

— ручка, которая используется для удобства переноса батареи человеком, что бы он не уронил случайно источник питания, который довольно прилично весит.

— пробки, 6 штук. Пробки позволяют проникнуть внутрь каждой секции (банки) аккумулятора. Когда мы открутим пробки, то сможем проверить уровень электролита, цвет его, плотность и определить в каком состоянии находится батарея.

— индикатор заряда или ещё часто называют «глазок». Он устанавливается на какую-то конкретную секцию батареи. Может быть на крайней банке АКБ или посередине, зависит от производителя и не имеет особого значения. Этот индикатор показывает уровень заряда батареи. Хочется обратить Ваше внимание, что «глазок» стоит только на одной банке, поэтому если соседняя секция замкнула, то Ваш индикатор может показывать что АКБ полностью исправен, а на самом деле это будет не так.

Поэтому, желательно проводить диагностику всех секций (банок) аккумулятора, нежели ориентироваться только на «глазок». Это даст более точную картину состояния аккумуляторной батареи.

— Также, на верхней поверхности любого аккумулятора есть клеммы. Через которые он и подключается к электросети автомобиля. Клеммы, в основном, стандартного размера, но плюсовой вывод всегда больше минусового по диаметру. Это сделано для того, что бы невнимательный водитель не перепутал полярность при установке АКБ на авто.

Корпус необслуживаемой АКБ

Давайте отметим, что много производителей аккумуляторных батарей делают необслуживаемые корпуса. К ним относятся такие «гиганты» как Varta, Bosch, Rocket, Mutlu и многие другие. В чём отличия обслуживаемых от необслуживаемых АКБ? Если есть пробки, которые откручиваются, то батарея подлежит обслуживанию. То есть, производитель рекомендует доливать дистилированую воду, когда она выкипит в процессе эксплуатации.

Завод-производитель необслуживаемых АКБ, вроде как, предусмотрел этот процесс. Вместо пробок они сделали систему клапанов. Эти клапаны не дают испарениям выйти из корпуса батареи, а они стекают обратно в банки. Обслуживания как такового не требуется, а только приодическая зарядка.

Что же под верхней крышкой?

Далее, если мы снимем верхнюю крышку АКБ, то мы увидим шесть секций. В каждой из этих банок находятся как положительные, так и отрицательные пластины. Каждая из этих пластин упакована в сепаратор. Сепаратор – это такой конверт, который предотвращает замыкание между пластинами.

В зависимости от того, сколько пластин положительных и отрицательных сложено в каждую секцию и соответственно мы получаем большую либо меньшую рабочую поверхность. И из этого складывается ёмкость самого аккумулятора. Соответственно, чем больше пластин тем больше ёмкость. Поэтому корпуса разные по размеру, в зависимости от ёмкости.

Каждая заряженая секция (банка) аккумулятора имеет напряжение 2,13 В. Так как автомобильный АКБ 12-ти вольтовый, мы имеем 6 таких секций и полностью заряженный источник питания имеет напряжения около12,78 В.

Электролит

Электролит — химический элемент, который служит проводником электрического тока. Он состоит из двух компонентов это серная кислота и вода. Оптимальное соотношение электролита, которое необходимо для нормального функционирования аккумуляторной батареи 1,27 грамма кислоты на см3 воды.

Электролит различают трех видов:

1.    Жидкий электролит;

2.    В виде геля;

3.    Абсорберы или связанный электролит.

Давайте разберем более подробно каждый из видов.

Жидкий электролит

Это обычный раствор кислоты и воды, который находится в жидком состоянии в АКБ. Такие батареи у большинства автовладельцев.

Гелевый электролит

Как Вы уже догадались у самого слова «гелевый», означает что он находится в загущенном состоянии, в виде геля. Какие преимущества этих аккумуляторов? Преимущества их в том что, как правило, они имеют герметичный корпус, то есть, полностью запаянный, доступа к банкам или к секциям аккумулятора у них нет. И за счет того, что электролит находится в густом состоянии, он не вытекает.    То есть, при кипении аккумулятора, допустим генератор подаёт большое напряжения, он перезаряжается. Начинают накапливаться газы и происходить перезаряд, то обычный электролит начинает обильно кипеть. В результате кипения испаряется вода. И из-за перезаряда (неисправного генератора) аккумулятор выходит из строя.  В гелевых батареях это происходит не таким образом. Аккумулятор имеет более густой электролит, не так подвержен кипению, корпус герметичный и все процессы циркулируют внутри самого корпуса. И нет выкипания воды из геля. Даже если в корпусе образовалось какое-то отверстие, батарея не теряет свою работоспособность. Он может потерять только ёмкость, если мы механически повредили секции внутри.

Плюс еще в том, что в загущеном состоянии проводимость тока у него улучшается. В таком электролите более быстро происходят химические реакции. АКБ быстрее отдает ток, который необходим и так же быстрее его восстанавливает. Гелевые аккумуляторы, как правило, заряжаются во много раз чем обычный кислотный.

Также, к достоинствам нужно отнести, что они не боятся глубокого разряда. У них не происходит, в таких случаях сульфатация пластин. И имеют высокий пусковой ток.

Технология  AGM

Так называемые абсорберы или связанный электролит. В чем их отличия? Сепаратор или «конверт» в который укладывается пластина, состоит из микроволокна, похожего на стекловату. Если мы на стекловату добавим какую-то жидкость, то капельки будут находится на маленьких ворсинках из которых состоит структура самого сепаратора. Получается что электролит не в жидком состоянии бультыхается как вода, а держится на ворсинках материала. Он вроде как жидкий, но в то же время не вытекает.

Преимущества схожи с гелевыми АКБ. Они тоже не так боятся повреждения корпуса батареи, меньше подвержены сульфатации пластин. Выкипания воды практически нет.

Также на эту тему:

Все, что нужно знать • iLand

Рассказывам об особенностях устройства батарей в мобильных девайсах.

Миллионы людей во всем мире являются активными пользователями мобильных устройств. Это плоды гигантской, мультимиллиардной индустрии, раз и навсегда изменившей наш образ жизни. Маленькие и не очень, функциональные и простые, дорогие и дешевые мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки объединяет один фактор — все они используют для работы заряд батарей. Без них, все эти девайсы превратились бы в куски пластика, метала и текстолита, неспособные прожить и минуты без розетки.

Батареи внутри вашего мобильного устройства представляют собой чудеса химической инженерии — они способны накапливать огромный заряд энергии, способный поддерживать работоспособность устройств на протяжении часов. Как же они устроены?

Большинство современных мобильных устройств используют литий-ионные (или Li-ion) батареи, состоящие из двух основных частей: пары электродов и электролита между ними. Материалы, из которых сделаны эти электроды, варьируются (литий, графит и даже нанопровода), но все они полагаются на химические процессы в основе которых стоит литий.

Это химически активный метал, что подразумевает его способность вступать в реакцию с другими элементами. Чистый литий настолько активен, что воспламеняется под воздействием воздуха, поэтому большинство батарей используют его более безопасную разновидность, именуемую литий оксид кобальта.

Между двух электродов находится электролит, в роли которого обычно выступает жидкий органический растворитель, способный пропускать ток. Когда литий-ионная батарея заряжена, молекулы литий оксид кобальта удерживают электроны, которые затем высвобождаются, когда ваш телефон работает.

Литий-ионные батареи являются наиболее распространенными, потому что могут накапливать большой заряд при малом размере. Это измеряется по шкале плотности энергии на единицу массы. Для литий-ионной батареи этот показатель равен 0,46–0,72 МДж/кг. Для сравнения, у Никель-металл-гидридного аккумулятора (Ni-MH) он равняется 0,33 МДж/кг. Иными словами, литий-ионные батареи меньше и легче, чем другие типы аккумуляторов, что подразумевает более компактные девайсы с более продолжительной «живучестью» от одного заряда.

Емкость аккумулятора

Емкость батареи измеряется в миллиампер-часах (мАч), что означает какое количество энергии сможет выдать аккумулятор за конкретный промежуток времени. К примеру, если емкость батареи равна 1000 мАч, то она сможет предоставить вам 1000 миллиампер на протяжении 1 часа. Если ваш девас будет потреблять 500 миллиампер в час, то проработает он уже 2 часа.

Однако понятие «живучести батареи» чуть сложнее, вышеописанного принципа, так как потребление энергии варьируется в зависимости от того, какие задачи девайс выполняет. Например, если у него включен экран, работает антенна сотовой связи, а процессор загружен тяжелой работой, то девайс будет потреблять больше энергии, чем когда экран выключен, а процессор и антенна находятся в режиме ожидания.

Именно поэтому не нужно слепо полагаться на заявленные производителем показателям автономности работы — производитель может выдавать эти цифры с учетом основе яркости экрана, без включения некоторых функций, как-то Wi-Fi или GPS. Стоит отметить, что Apple в этом отношении действует более честно, указывая «живучесть» устройства на основании выполнения конкретных задач. Если вам любопытно сколько энергии поглощает iPhone в том или ином режиме работы, советуем воспользоваться специальным приложением Battery Life Pro.

Контроль за потоком энергии

Так как у литий-ионных батарей имеется тенденция к возгоранию, они должны быть подвержены тщательному контролю. Производители батарей достигли этого путем включения специального контроллера, который следит за силой тока. В итоге, каждый аккумулятор содержит внутри маленький компьютер, который предотвращает слишком быструю разрядку и потерю заряда до опасно низкого уровня. Этот компонент также регулирует силу тока во время зарядки, понижая его по мере того, как заряд батареи приближается к максимальной отметке, чтобы избежать чрезмерной зарядки.

Именно поэтому, полностью разряженный девайс, поставленный на подзарядку, греется в этом процессе намного сильнее, чем лишь немного разряженный.

Будущее аккумуляторов

Технологии по производству батарей не стоят на месте — множество исследовательских лабораторий по всему миру исследуют новые технологии, способные заменить литий, а также новые походы по созданию литий-ионных батарей. Среди новых технологий, много работы было проделано с супер-конденсаторами, в которых батарея хранит энергию в форме электричества, а затем высвобождает ее подобно вспышке на фотоаппарате.

Супер-конденсаторы заряжаются намного быстрее, так как в этом процессе практически не задействованы химические реакции, но современные представители такого рода накопителей способны отдавать заряд лишь короткими порциями, что является противоположностю тому, что требуется для большинства мобильных устройств.

Топливные элементы на основе водорода, тоже являются альтернативой существующим батареям. Система топливных элементов от Nectar, представленная на недавней CES, использует десятидолларовый картридж, способный питать мобильный телефон до двух недель. Однако топливные элементы все еще слишком велики, чтобы поместится в телефоне — та же система от Nectar просто подзаряжает литий-ионную батарею, а не заменяет ее.

А вот сера вполне может занять место внутри литий-ионных батарей. Ученые из Стэндфордского Университета недавно представили нанотехнологию по включению серы в химический состав батареи, что увеличило ее емкость в пять раз, а также увеличило срок службы. В то же время, эта технология находится пока на ранней стадии развития и не выйдет на рынок в ближайшие несколько лет.

P.S. Аккумуляторы в мобильных устройствах, равно как и обычные батарейки, требуют определенной утилизации — просто так выбрасывать их в мусорный бак нельзя. Поэтому рады напомнить вам, что iLand готов взять на себя утилизацию отживших свое элементов питания. Просто принесите их к нам в офис, а об остальном мы позаботимся!

Tags: iPhone, iСтатьи, аккумулятор

Технология и компоненты в аккумуляторных батареях для электромобилей

Технология, инновации, Автомобильные аккумуляторные батареи 12 января 2021

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных типах автомобилей, но они играют ключевую роль в случае электромобилей. Технологии, отвечающие за их работу, постоянно развиваются, и различные типы аккумуляторов отличаются друг от друга по применению и техническим характеристикам. Узнайте о типах батарей, используемых в электромобилях.

Технологии в аккумуляторах электромобилей – основные типы аккумуляторов

Аккумуляторы электромобилей (EV) отличаются используемыми в них химическим элементам. В основном мы различаем литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. Выбрать оптимальную аккумуляторную батарею для электромобиля сложно, потому что индивидуальные решения хорошо работают в разных ситуациях.

Ниже вы найдете краткое описание различных типов аккумуляторов, используемых в автомобильной промышленности, а также их применение.

Литий-ионная батарея – большая популярность и высокая производительность.

Несомненно, именно литий-ионные батареи в последние годы внесли наибольший вклад в передовое развитие электроэнергетического сектора. Они характеризуются эффективностью, низкой ценой и высоким уровнем производительности по отношению к весу элементов. Это лучшие батареи, если учитывать три параметра: оптимизация размера и веса батареи, соотношение массы к количеству накопленной энергии и выгодная цена. Литий-ионные батареи также можно найти во многих бытовых устройствах, таких как телефоны, компьютеры или пылесосы.

Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея – для специализированного использования.

Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных транспортных средствах, но они играют ключевую роль в случае электромобилей.

Это специальные аккумуляторные элементы, которые достаточно редки по своим химическим и физическим параметрам. Водород является сырьем, требующим особого контроля. Батарея теряет энергию, когда она не используется, но этот недостаток компенсируется длительным сроком службы элементов. Никель-металл-гидридные батареи используются в специализированных устройствах, таких как медицинское оборудование. Решения такого рода характеризуются высокой себестоимостью производства.

Свинцово-кислотные аккумуляторы – низкий срок службы и впечатляющая мощность.

Аккумуляторы этой категории характеризуются отличными параметрами мощности. В электромобиле, однако, приходится делать ставку на решение, которое характеризуется высокой эффективностью даже при низких температурах, где такие батареи работают плохо. Несмотря на то, что стандартные аккумуляторные батареи автомобиля также фиксируют снижение таких условий, свинцово-кислотные элементы демонстрируют худшие показатели в этом аспекте. К их преимуществам относятся низкая себестоимость и надежность.

Суперконденсаторы – поддержка производительности аккумуляторов.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы в первую очередь используются для обеспечения необходимого электропитания при временном отключении электричества. По этой причине они также полезны в электромобилях, где их роль заключается в обеспечении достаточной мощности, когда требуется больше энергии.

Многие электромобили используют аккумуляторные батареи – несколько элементов одновременно. Сочетая возможности суперконденсаторов с литий-ионными и никель-металлогидридными аккумуляторами, можно добиться лучших результатов, чем при использовании одиночных элементов. В настоящее время в автомобильном секторе доминируют литий-ионные аккумуляторы, чаще всего используемые в электромобилях.

Литиево-ионные или никель-металл-гидридные аккумуляторы – как выбрать лучшую батарею для электромобиля?

Из-за описанных выше параметров литий-ионная батарея используется чаще всего. Более того, технология, связанная с этими элементами, все еще развивается. Ведущие поставщики работают над тем, чтобы разрушить дальнейшие барьеры на пути к ассортименту транспортных средств, которые используют данный тип батареи в качестве источника энергии.

Никель-металл-гидридные батареи используются в гибридных транспортных средствах. Сектор EV редко использует свинцово-кислотные батареи, хотя они иногда дополняют литий-ионные батареи. На современном этапе развития эта технология еще не готова к использованию в более широком масштабе.

Суперконденсаторы находят свое место и в электромобилях, позволяя увеличить мощность автомобиля при высокой нагрузке. Благодаря этому во время разгона может поддерживаться стандартный аккумулятор. Суперконденсаторы также очень важны для рекуперативного торможения, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электричество.

См. также: Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей – когда следует заменять аккумуляторные батареи электромобилей?

Какой тип батареи используется в электромобилях?

Использование конкретного элемента зависит не только от его производительности, но и от типа транспортного средства. В случае полностью электрических транспортных средств и plug-in гибридов, которые могут быть заряжены от розетки, мы, как правило, имеем дело с литий-ионными батареями. Традиционные гибриды используют в основном никель-гидридные батареи. Больший вклад двигателя внутреннего сгорания в работу транспортного средства позволяет обеспечить более высокий уровень потерь энергии, когда он не используется. Следует также помнить, что в случае гибридных автомобилей элементы долгое время не работают при максимальной нагрузке.

Электромобили намного эффективнее, чем автомобили внутреннего сгорания. Стоимость электроэнергии в большинстве случаев значительно ниже, чем цена топлива, необходимого для проезда по аналогичному маршруту. Наиболее эффективные решения на рынке в настоящее время позволяют преодолевать расстояние около 500 км на одной зарядке.

Партнерство с компанией «KNAUF AUTOMOTIVE» – получение всесторонней поддержки опытного партнера.

Для того чтобы обеспечить оптимальные решения в области электрических батарей, вы не можете работать в одиночку. В течение многих лет компания Knauf Industries работает над внедрением инноваций в автомобильной промышленности. Благодаря командам инженеров, работающих в лаборатории ID Lab, нам удалось превратить полученные за эти годы знания в потенциал на будущее. Мы разрабатываем новые решения по изоляции автомобильных аккумуляторов, компонентов аккумуляторов, электрических кабелей, фитингов для холодильных труб и сепараторов аккумуляторных элементов.

Мы хотим предоставлять нашим партнерам аккумуляторные батареи с гораздо более высокими эксплуатационными характеристиками и оптимизированным сроком службы. Чтобы предотвратить выход аккумулятора из строя при слишком низких или слишком высоких температурах, важно помнить об изоляции, которая при этом не будет существенно влиять на вес автомобиля. Наш взгляд на будущее сочетает в себе электромобильность с экологией – мы предлагаем такие материалы, как пенополипропилен и пенополистирол, которые на 100% пригодны для вторичной переработки. Мы приглашаем к сотрудничеству предприятия автомобильной отрасли, которые хотят всесторонне поддерживать свое производство.

Откуда берутся батарейки? И куда они идут?

Каждый день вы используете аккумулятор определенного типа. Ваш телефон работает от перезаряжаемой литий-ионной батареи, как и большинство других ваших электронных устройств. Материнская плата вашего компьютера содержит неперезаряжаемый литиевый элемент типа «таблетка», известный как батарея CMOS. Двигатель внутреннего сгорания вашего автомобиля запускается от перезаряжаемой аккумуляторной батареи, обычно свинцово-кислотной. Список можно продолжить.

Примечание редактора: этот пост был обновлен 29 июля 2022 г., чтобы включить обновленную информацию о реальных продажах беспроводных наушников и ответы на часто задаваемые вопросы.

Батареи имеют ограниченный срок службы. Аккумуляторы AirPods будут работать от 18 месяцев до трех лет. В 2021 году по всему миру было продано около 300 миллионов настоящих беспроводных наушников (TWS), и эксперты ожидают дальнейшего роста рынка. В результате мы можем ожидать, что более 450 миллионов таких батарей выработают свой ресурс к концу 2023 года, а затем и больше. И это только наушники.

Всемирный экономический форум Литий-ионные аккумуляторы, размещенные на мировом рынке (уровень ячеек, метрические тонны).

Литий-ионные аккумуляторы уже используются в бытовой электронике, например в наушниках, а также в электромобилях. Bloomberg New Energy Finance (BNEF) прогнозирует, что к 2030 году доля электромобилей в продажах составит 34% по сравнению с 4% в 2020 году. Этот быстрый рост спроса приводит к адаптации добычи и производства на начальном этапе.

Вам может быть интересно, является ли такой рост устойчивым и как мы справимся со всеми отходами. Это то, что мы здесь, чтобы выяснить.

Откуда берутся батарейки?

Итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую настоящую батарею в 1800 году. В 1859 году Гастон Планте изобрел первую перезаряжаемую батарею. Литий-ионные аккумуляторы не появлялись на рынке до 1980 года. И потребовалось еще 11 лет, прежде чем они были впервые коммерциализированы Sony.

Этот безопасный, компактный и энергоемкий аккумулятор положил начало мобильной революции, питая видеокамеры, ноутбуки, смартфоны и большинство другой портативной бытовой электроники, которую мы знаем сегодня. В 2019 году ученые, изобретшие литий-ионный аккумулятор, получили Нобелевскую премию по химии.

Давайте углубимся в материальный состав литий-ионных аккумуляторов, который превратил их в эти мощные двигатели перемен.

Из чего сделаны батареи?

Батарея представляет собой набор из одной или нескольких ячеек. Каждая заполненная электролитом ячейка содержит два электрода, каждый с токосъемником, которые расположены на противоположных концах батареи, с сепаратором между ними. Замыкание цепи между электродами запускает серию электрохимических реакций, которые создают электрический ток и разряжают батарею. Хотя основные компоненты и процессы одинаковы во всех типах аккумуляторов, материалы сильно различаются.

ScienceDirect Схематическая диаграмма типичной литий-ионной батареи (а) и весовые проценты ее основных компонентов (б).

Давайте посмотрим на компоненты, обычно встречающиеся в перезаряжаемой литий-ионной батарее:

  • Анод: литий, хранящийся в углеродных структурах, позднее в графите
  • Катод: оксид лития-никеля, оксид лития-кобальта и/или оксид лития-марганца
  • Токоприемники: медь, алюминий
  • Электролит (жидкий): соли лития и органические растворители, обычно алкилкарбонаты
  • Сепаратор: синтетические полимеры, особенно мембраны на основе полиолефинов

Откуда берутся материалы для изготовления батарей?

Хотя большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, материалы, из которых они производятся, разбросаны по всему миру.

Вот наиболее распространенные источники этих материалов:

Material Natural Reserves Top Producers (2020) Extraction
Material

Lithium

Natural Reserves

Global: 80 million tons
Bolivia (26%)
Argentina ( 21%)
Чили (12%)
Австралия (8%)
Китай (6%)

Ведущие производители (2020)

Австралия (49%)
Чили (22%)
Китай (17%)
Аргентина (8%)

Добыча

Добывается из природного рассола в подземных озерах (Южная Америка) или месторождений полезных ископаемых в твердых породах (Австралия).

Материал

Графит

Натуральные резервы

Глобал: 800 миллионов тонн
Турция (28%)
Китай (22%)
Бразилия (22%)
Mozambique (8%) 9003
(22%). (2020)

Китай (62%)
Мозамбик (11%)
Бразилия (9%)
Турция (<1%)

Добыча

Добыча из метаморфических пород.

Материал

Никель

Природные запасы

В мире: 94 млн тонн )

Ведущие производители (2020)

Индонезия (30%)
Филиппины (13%)
Россия (11%)

Добыча

Добыча из латеритов и сульфидных месторождений. Никель также встречается в марганцевых корках и конкрециях на дне океана.

Материал

Кобальт

Природные запасы

Мировые (наземные): 25 миллионов тонн

Мировые (океаническое дно): 120 миллионов тонн
Куба (7%)
Россия (4%)

Ведущие производители (2020)

Конго (68%)
Россия (4,5%)
Австралия (4%)

Добыча

Обычно побочный продукт никеля или добычи меди.

Material

Manganese

Natural Reserves

Global: 1.3 billion tons
South Africa (40%)
Brazil (20%)
Australia (18%)
Gabon (5%)

Top Производители (2020)

Южная Африка (28%)
Австралия (18%)
Габон (15%)
Бразилия (6%)

Добыча

Добывается из руды и в основном используется в производстве стали.

Материал

Медь

Природные заповедники

Глобальные (установленные): 2,1 миллиарда тонн
Глобальные (неоткрытые): ок. 3,5 млрд тонн

Чили (23%)
Перу (11%)
Австралия (10%)
Китай (3%)

Ведущие производители (2020)

Чили (29%)
Перу (11%)
Китай (9%)

Добыча

Добывается по всему миру, в том числе на рудниках США в Аризоне, Юте, Нью-Мексико, Неваде, Монтане, Мичигане и Миссури.

Материал

Алюминий (бокситы)

Природные запасы

В мире: от 55 до 75 миллиардов тонн бокситов
Африка (32%)
Океания (23%)
Южная Америка и Карибский бассейн (21%)
Азия (18%)

Ведущие производители (2020)

Австралия (30%)
Гвинея (22%)
Китай (16%)

Добыча

руда, добываемая из верхнего слоя почвы.

Все добытые полезные ископаемые проходят переработку, часто не в странах их происхождения.

Горнодобывающая промышленность не является непосредственным источником органических растворителей и синтетических полимеров, содержащихся в литий-ионных батареях, хотя их основные компоненты извлекаются из земли. Вот упрощенное описание их производства:

  • Алкилкарбонаты, как и диэтилкарбонат, синтезируются из фосгена, газа и спиртов, таких как этанол или метанол.
  • Мембраны на основе полиолефинов синтезируются из полимеров, полученных из нефти или природного газа.

Какие проблемы с горнодобывающими материалами?

Вся добыча полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия. Добыча кобальта в Демократической Республике Конго, например, часто связана с нечеловеческими условиями, а также рабским и детским трудом. Следовательно, такие производители, как Tesla, стремятся использовать литий-ионные батареи без кобальта. Хотя источники добычи других полезных ископаемых могут иметь меньше социальных последствий, они по-прежнему требуют разрушения окружающей среды, истощают водные ресурсы и способствуют загрязнению воздуха, воды и почвы.

Горнодобывающая промышленность разрушает окружающую среду, истощает водные ресурсы и способствует загрязнению воздуха, воды и почвы.

Извлечение материала — это только первый шаг. Для обработки таких минералов, как литий, обычно требуются токсичные химикаты. Нефтеперерабатывающие заводы обычно утилизируют отходы в хвостохранилищах или прудах-испарителях. Отсюда ядовитые жидкости могут просачиваться в окружающую среду, загрязняя почву и воду. Даже обработанная вода может содержать следы минералов, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на людей и животных.

ScienceDirect Относительные показатели воздействия литий-ионных аккумуляторов на основе оксида лития-марганца (LMO) или фосфата лития-железа (LFP).

Несмотря на то, что многие материалы, используемые в литий-ионных батареях, имеются в изобилии, их не всегда легко извлечь. По мере истощения природных ресурсов горнодобывающим компаниям придется использовать менее благоприятные источники, что только усилит негативное воздействие добычи и переработки и может привести к расширению маршрутов доставки. В конце концов, цены на ресурсы заставят производителей переключаться на другие химические составы аккумуляторов, например, с оксида лития-марганца на фосфат лития-железа.

К сожалению, проблема не только в производстве.

Куда девать батарейки?

Слишком много батарей по-прежнему попадает на свалку, хотя это зависит от их типа. В то время как 90% свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатываются, по оценкам экспертов, только около 5% литий-ионных аккумуляторов в настоящее время перерабатываются. Многие другие прячутся в ящиках или оказываются в мусорном ведре. Это проблема.

Почему нельзя выбрасывать аккумуляторы в мусор

Литий-ионные аккумуляторы могут стать причиной возгорания при воздействии тепла, механических воздействий или других отходов. После воздействия элементы, содержащиеся в батареях, могут попасть в окружающую среду и загрязнить почву и грунтовые воды. Хотя это не должно представлять проблемы на хорошо управляемом домашнем объекте, экспортируемый мусор может оказаться на более щадящей свалке. Рича и др. обратите внимание, что «больший риск представляет собой потерю ценных материалов».

Waste360 Зарегистрированные пожары на предприятиях по переработке отходов и переработке отходов в США и Канаде в период с февраля 2016 г. по апрель 2020 г.

Достаточно концентрированные природные ресурсы лития, кобальта, никеля и других элементов исчерпаны. Как обсуждалось выше, их добыча имеет необратимые последствия. К тому времени, когда эти материалы попадают в наши гаджеты, мы платим высокую социальную и экологическую цену за ущерб, нанесенный их цепочкам поставок.

Вскоре спрос на некоторые материалы превысит объем добычи. В одном недавнем исследовании прогнозируется, что спрос на литий и кобальт может превысить производство уже в 2025 году. Если затем принять во внимание, что в среднем электроды отработанных литий-ионных аккумуляторов содержат больше лития, чем природные руды, вы быстро придете к выводу, что даже разряженные батареи имеют ценность.

Поскольку спрос превышает возможности добычи, переработка превращается из этического обязательства в экономически выгодную альтернативу и, возможно, в необходимость.

Где потребители могут безопасно утилизировать батареи?

Аккумуляторы являются основным компонентом бытовой электроники, такой как смартфоны, ноутбуки или наушники. Когда батарея умирает, это часто означает конец жизни устройства. Это особенно верно для настоящих беспроводных наушников, таких как AirPods. Во многих случаях вам придется утилизировать весь гаджет, а не только аккумулятор.

iFixit Литий-ионные батареи, содержащиеся в AirPods, практически невозможно извлечь.

Многие производители предлагают программы утилизации электронных отходов. Например, если у вас есть старый iPhone, Apple может обменять его на кредит в магазине. Магазины электроники, такие как Best Buy , будут бесплатно принимать товары и перерабатывать их. Если вам нужно утилизировать использованные бытовые батареи, Агентство по охране окружающей среды рекомендует искать на Earth911 местного поставщика услуг по переработке. Наконец, Call2Recycle предлагает пункты приема аккумуляторов и мобильных телефонов по всей территории США 9.0003

Как и в случае с другими электронными устройствами или батареями, вы можете найти места, где старые наушники принимают обратно или обменивают на них. Помимо переработки наушников, вы также можете попытаться отремонтировать, повторно использовать или продать их. Когда вы будете готовы купить новую пару, подумайте об экологически чистых наушниках.

Что происходит с батареями, сданными на переработку?

Двумя наиболее распространенными методами переработки литий-ионных аккумуляторов являются пирометаллургия, процесс, основанный на нагревании, и гидрометаллургия, выщелачивание металлов химическими веществами. Каждый метод переработки имеет свой собственный набор проблем.

Пирометаллургия представляет собой энергоемкий комплекс операций с образованием токсичных газов и возможностью извлечения только некоторых элементов; литий и алюминий, например, теряются в шлаке, побочном продукте твердых отходов. Гидрометаллургия работает при гораздо более низких температурах и имеет более высокую скорость восстановления, но это гораздо более сложный процесс, в котором используются ядовитые химикаты, которые создают собственную проблему удаления отходов. Чтобы максимизировать извлечение ресурсов, эти два метода часто используются в тандеме, но все же извлекают не более 50% исходных материалов для аккумуляторов, поскольку они, как правило, сосредоточены на наиболее ценных металлах и пренебрегают другими.

ScienceDirect Общая схема методов и процессов переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов.

Усовершенствованные процессы рециклинга на основе гидрометаллургии обещают значительно приблизить коэффициент извлечения к 100%. Li-Cycle — одна из первых компаний, которая сосредоточилась исключительно на переработке литий-ионных аккумуляторов. Его процесс включает в себя децентрализованную разборку батарей на их основные строительные блоки с последующим измельчением в инертные продукты. Оттуда такие материалы, как пластик, медь и алюминий, попадают в местные потоки вторичной переработки. Оставшийся промежуточный продукт, влажный мелкий порошок, называемый черной массой, отправляется в центральный узел, где он очищается для извлечения ценных материалов, таких как графит, кобальт, никель, литий и медь. По оценкам Li-Cycle, он может восстановить до 95% материалов с нулевым направлением на свалку, без сточных вод и без прямых выбросов.

Аккумуляторы должны войти в круговую экономику

Производство перезаряжаемых аккумуляторов из добытых полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия, а природные ресурсы ограничены. Поскольку спрос на эту технологию продолжает расти, как производители, так и потребители должны активизировать свою деятельность по переработке отходов. Производителям необходимо придумать конструкции, облегчающие извлечение батарей, их разборку и извлечение отдельных материалов. Между тем, потребители должны ответственно утилизировать отработавшие батареи или старую электронику, чтобы убедиться, что они попадают в подходящие потоки вторичной переработки.

Извлекая аккумуляторы со свалки, мы можем восстановить ценные материалы и повторно использовать их для дальнейшего производства. По мере того, как мы увеличиваем объемы переработки, мы снизим нашу зависимость от природных ресурсов. Это ворота в экономику замкнутого цикла.

Часто задаваемые вопросы о батареях

В 2021 году Австралия произвела больше всего лития (55 000 тонн), за ней следуют Чили (26 000 тонн) и Китай (14 000 тонн). Интересно, что Боливия обладает самыми большими ресурсами лития из всех (21 млн тонн), за ней следует Аргентина (19 млн тонн).млн тонн) и Чили (9,8 млн тонн). Эти цифры были взяты из «Сводок по минеральным товарам за 2022 год» (PDF), опубликованных Министерством внутренних дел США и Геологической службой США.

Это буквально движущаяся мишень. Рынок электромобилей (EV), который включает в себя автомобили, скутеры и велосипеды, быстро растет, как и его воздействие на окружающую среду.

Например, глобальные продажи электромобилей выросли более чем вдвое с 2020 по 2021 год. В 2021 году было продано 6,6 млн электромобилей, каждый из которых содержит около 8 кг лития, поэтому на рынок электромобилей приходится не менее 58% мирового производства лития (9).0,7 млн ​​кг) в 2021 году. Социальные и экологические последствия одинаковы для всех литий-ионных аккумуляторов, т. е. разрушение среды обитания, чрезмерное использование воды, загрязнение, негуманные условия добычи полезных ископаемых и т. д.

Из чего сделаны аккумуляторы для электромобилей?

Нам говорят, что электромобили «проще», чем бензиновые или дизельные, но при этом они намного дороже.

В этой статье мы рассмотрим один из самых сложных (и дорогих) компонентов электромобиля. Мы объясним, из чего сделаны аккумуляторы для электромобилей, как они сделаны и что с ними происходит, когда они перестают соответствовать своему назначению.

Из чего сделан аккумулятор электромобиля?

Не волнуйся, это не будет похоже на школьный урок химии. Однако важно отметить, что существуют разные типы аккумуляторов для электромобилей, в которых используются различные металлы с разными преимуществами и недостатками.

Двумя основными типами аккумуляторов для электромобилей являются литий-ионные (Li-on), которые используются большинством производителей электромобилей (Mercedes, Jaguar и т. д.), и никель-металлогидридные (NiMH), которые используются Toyota. .

NiMH

NiMH аккумуляторы дешевле литий-ионных аккумуляторов и способны выдерживать более холодный климат.

Как правило, они склонны к «эффекту памяти» при зарядке до полной потери запасов энергии. Это означает, что они «вспомнят» о том, что они были заряжены через более короткий период, поэтому они будут работать в течение более короткого времени между зарядками, чем раньше.

Li-on

Литий-ионные аккумуляторы имеют много общего с аккумуляторами в мобильных телефонах. В большинстве современных смартфонов используются литий-ионные аккумуляторы для быстрой циклической зарядки. Электромобили используют их в большем масштабе.

Самый популярный химический состав литий-ионных аккумуляторов с наиболее высокой энергоемкостью называется литий-никель-марганец-оксид кобальта, сокращенно NMC. Все чаще производители, такие как Tesla, обращаются к альтернативным химическим веществам, таким как менее энергоемкий, но более дешевый литий-железо-фосфат (LFP).

Из-за более высокой плотности энергии по сравнению с NiMH литий-ионные аккумуляторы производятся с рекордной скоростью, чтобы удовлетворить спрос на новые электромобили.

Согласно данным Аргоннской национальной лаборатории, один литий-ионный аккумулятор электромобиля (известный как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальта.

К сожалению, добыча кобальта и никеля является дорогостоящей и вредной для окружающей среды, что делает сокращение количества металлов, которые необходимо добывать, ключевой задачей для исследователей аккумуляторов электромобилей.

Как производятся батареи?

Аккумуляторы для электромобилей можно разделить на три уровня: элементы, модули и блоки. BMW i3 имеет 96 аккумуляторных батарей. При этом 12 ячеек объединяются в единый модуль, а 8 модулей составляют единый аккумуляторный блок.

Аккумулятор представляет собой базовую ионно-литиевую батарею, способную вырабатывать электрическую энергию путем зарядки и разрядки. Аккумуляторные элементы бывают цилиндрическими, призматическими и пакетными, хотя все они имеют одну и ту же основную функцию (вы можете узнать больше об этом в нашем посте о том, как работают аккумуляторы для электромобилей)

Аккумуляторные элементы затем объединяются в раму (модуль), которая защищает элементы от внешних ударов, тепла или вибрации. Аккумуляторная батарея — это окончательная форма аккумуляторной системы, установленной в электромобиле. Аккумуляторы электромобилей обычно свариваются и склеиваются вместе, что затрудняет их разборку в конце их жизненного цикла.

Что происходит, когда батарея разряжена?

Когда срок службы аккумулятора электромобиля подходит к концу, он может перестать быть «зеленой» альтернативой бензину или дизельному топливу, как это было раньше.

На самом деле, если аккумулятор электромобиля окажется на свалке, он может выделять вредные токсины и тяжелые металлы. Это может заставить вас задуматься, действительно ли электромобили лучше для окружающей среды?

Согласно текущим оценкам, средний срок службы батареи электромобиля составляет от 10 до 20 лет или от 200 000 до 400 000 миль, после чего ее необходимо заменить.

Хотя для обычного пользователя этого более чем достаточно, вполне вероятно, что аккумуляторы для электромобилей будущего смогут пойти еще дальше. Tesla уже объявила о своей «батарее на миллион миль», а следующее крупное нововведение в батареях для электромобилей, «твердотельная батарея», может значительно сократить срок службы батареи.

До тех пор, к счастью, есть другие способы использовать старые батареи электромобилей, которые больше не подходят для использования в автомобиле.

Можно ли перепрофилировать аккумуляторы электромобилей?

Nissan Leaf впервые появился на рынке в 2010 году. Несколько месяцев спустя Nissan в партнерстве с Sumitomo Corp создала 4R Energy Corp. Ее миссия: разработать способ переработки, переработки, перепродажи и повторного использования аккумуляторов в электромобилях. Вместо того, чтобы продавать аккумуляторы для электромобилей по цене металлолома, они будут использоваться для питания других вещей.

Более десяти лет спустя срок службы некоторых оригинальных аккумуляторов Nissan Leaf подходит к концу. Аккумуляторы классифицируются как «A», «B» или «C» в зависимости от их состояния и полезности.

Аккумуляторы класса «А» могут быть повторно использованы для новых высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей. Аккумуляторы класса «В» могут использоваться для питания заводского оборудования, такого как вилочные погрузчики, или в качестве устойчивого решения для хранения энергии в домах или коммерческих объектах, использующих солнечную энергию. Можно использовать даже батареи класса «С», как правило, в качестве резервного источника энергии в магазинах, которым требуется круглосуточное питание.

Согласно 4R, это может продлить срок службы батареи электромобиля до 15 лет.

Вскоре такие «циклические» энергетические решения появятся и на массовом рынке. В 2019 году Nissan представила аккумуляторную батарею Nissan Energy Roam, в которой используются литий-ионные аккумуляторные элементы от автомобилей Leaf первого поколения, способные хранить до 700 Втч электроэнергии.

Этого может быть недостаточно для питания электромобиля, но при использовании для накопления энергии от солнечной панели мощностью 400 Вт батарея «Roam» легко сможет обеспечить недельную мощность для прицепа-дома.

Nissan не единственный в игре по перепрофилированию. Audi использует старые аккумуляторы для электромобилей для замены аккумуляторов для вилочных погрузчиков на своем заводе в Ингольштадте, в то время как Volkswagen планирует создать портативные зарядные станции для электромобилей, способные одновременно заряжать до четырех автомобилей, предлагая потенциальное решение проблемы поломки электромобиля.

В Швеции старые аккумуляторы для автобусов Volvo используются для балансирования энергетических потребностей жилищного кооператива Riksbyggen Viva в Гётеборге.

Можно ли перерабатывать аккумуляторы электромобилей?

Да! Renault уже занимается переработкой аккумуляторов для электромобилей в сотрудничестве с компанией по переработке отходов Veolia и международной химической компанией Solvay.

Другие производители начинают следовать их примеру в своих собственных схемах утилизации автомобильных аккумуляторов, так как это не только лучше для окружающей среды, но и снижает зависимость от сырья, которое обычно можно получить только из-за пределов Европы.

В любом случае в большинстве случаев добывать металлы дешевле, чем перерабатывать их из аккумуляторов электромобилей. Утилизация батареи — опасное дело — неправильное обращение с элементом Tesla может привести к короткому замыканию, воспламенению и выделению токсичных паров.

Но с учетом того, что к 2030 году на наших дорогах будет около 145 миллионов электромобилей, утилизация и переработка аккумуляторов становится все более серьезной проблемой — так что же делается?

Постепенно правительства продвигаются к установлению определенного уровня переработки. В 2018 году правительство Китая ввело новые правила, поощряющие повторное использование компонентов аккумуляторов электромобилей. Комиссия ЕС предложила установить квоту на переработку 25 % литий-ионных аккумуляторов к 2025 г. и увеличить ее до 70 % к 2030 г.

Это многообещающее начало, но впереди нас ждут препятствия. Одним из самых прибыльных ресурсов для переработчиков является кобальт. Тем не менее производители автомобилей, такие как Tesla, уже заявили о своем желании отказаться от этого дорогостоящего элемента.

Отказ от кобальта частично обусловлен разрушительным воздействием добычи кобальта на окружающую среду, гуманитарными последствиями в таких странах, как ДРК, и более низкой стоимостью альтернативных химических элементов для батарей, таких как литий-железо-фосфат (LFP). Но без таких ресурсов, как кобальт, в ближайшем будущем может быть меньше стимулов к переработке.

В любом случае, вне зависимости от того, перепрофилируются ли батареи электромобилей или перерабатываются, большинство экспертов сходятся во мнении: выбрасывать аккумуляторы электромобилей на свалку не имеет ни экономического, ни экологического смысла.

Заключение

Несмотря на хваленые экологические преимущества электромобилей, революция электромобилей не обходится без проблем. Процесс добычи материалов для аккумуляторов электромобилей часто опасен и загрязняет окружающую среду, но в большинстве случаев он остается дешевле, чем переработка использованных аккумуляторов электромобилей.

Тем не менее, производители все чаще придумывают творческие способы перепрофилирования старых батарей, которые могут помочь сбалансировать сеть и обеспечить бесперебойную подачу энергии в наши дома.

Если срок службы вашей батареи подходит к концу, вы можете прочитать о том, сколько вы можете заплатить за замену батареи электромобиля.

Для получения более информативных сообщений о том, как работают электромобили, обязательно ознакомьтесь с остальной частью нашего подробного руководства по электромобилям. Или, если вам интересно, стоит ли вам покупать электромобиль сейчас или подождать, обязательно ознакомьтесь с нашими плюсами и минусами электромобилей.

Аккумулятор из расплавленных металлов | MIT News

Новая перезаряжаемая батарея, разработанная в Массачусетском технологическом институте, однажды может сыграть решающую роль в массовом расширении производства солнечной энергии, необходимом для смягчения последствий изменения климата к середине века. Разработанная для хранения энергии в электрической сети, батарея большой емкости состоит из расплавленных металлов, которые естественным образом разделяются, образуя два слоя электродов по обе стороны от расплавленного солевого электролита между ними. Испытания элементов, изготовленных из недорогих материалов, широко распространенных на Земле, подтверждают, что жидкостная батарея работает эффективно без существенной потери емкости или механического износа — типичных проблем современных батарей с твердыми электродами. Исследователи Массачусетского технологического института уже продемонстрировали простой и недорогой процесс изготовления прототипов своей батареи, а в планах на будущее — проведение полевых испытаний на небольших энергосистемах, включающих в себя прерывистые источники генерации, такие как солнечная энергия и ветер.

Способность хранить большое количество электроэнергии и доставлять ее позже, когда это необходимо, будет иметь решающее значение, если прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, будут развернуты в масштабах, которые помогут сдержать изменение климата в ближайшие десятилетия. Такое крупномасштабное хранение также сделало бы сегодняшнюю энергосистему более отказоустойчивой и эффективной, позволяя операторам быстро поставлять электроэнергию во время отключений и удовлетворять временные пики спроса без поддержания дополнительных генерирующих мощностей, которые дороги и редко используются.

Десять лет назад комитет, планирующий новую энергетическую инициативу Массачусетского технологического института, обратился к Дональду Садоуэю, профессору химии материалов Массачусетского технологического института имени Джона Ф. Эллиотта, с просьбой взяться за решение проблемы накопления энергии в масштабе сети. В то время исследования Массачусетского технологического института были сосредоточены на литий-ионных батареях — на тот момент относительно новой технологии. Разрабатываемые литий-ионные батареи были небольшими, легкими и недолговечными — это не проблема для мобильных устройств, которые обычно обновляются каждые несколько лет, а проблема для использования в сети.

Батарея для энергосистемы должна надежно работать годами. Он мог быть большим и стационарным, но — самое главное — должен был быть недорогим. «Классический академический подход, заключающийся в том, чтобы изобретать самую крутую химию, а затем пытаться снизить затраты на этапе производства, не сработает, — говорит Садоуэй. «В энергетическом секторе вы конкурируете с углеводородами, а они глубоко укоренились, сильно субсидируются и живучи». Кардинальный сдвиг в производстве энергии потребует другого подхода к хранению.

Поэтому Садоуэй обратился к хорошо известному ему процессу: плавке алюминия. Выплавка алюминия — это крупномасштабный и недорогой процесс, проводимый внутри электрохимических элементов, которые надежно работают в течение длительного времени и производят металл с очень низкими затратами при потреблении большого количества электроэнергии. Садоуэй подумал: «Можем ли мы запустить плавильный завод в обратном направлении, чтобы он возвращал свое электричество?»

Последующее расследование привело к жидкометаллической батарее. Как и у обычной батареи, у этой есть верхний и нижний электроды, между которыми находится электролит (см. рис. 1 на слайд-шоу выше). Во время разрядки и перезарядки положительно заряженные ионы металлов перемещаются от одного электрода к другому через электролит, а электроны совершают такое же путешествие через внешнюю цепь. В большинстве аккумуляторов электроды — а иногда и электролит — твердые. Но в аккумуляторе Садовея все три жидкости. Отрицательный электрод — верхний слой батареи — представляет собой жидкий металл с низкой плотностью, который легко отдает электроны. Положительный электрод — нижний слой — представляет собой жидкий металл высокой плотности, который с удовольствием принимает эти электроны. А электролит — средний слой — это расплавленная соль, которая переносит заряженные частицы, но не смешивается с материалами сверху или снизу. Из-за различий в плотности и несмешиваемости трех материалов они естественным образом оседают на три отдельных слоя и остаются отдельными во время работы батареи.

Преимущества растворения

Этот новый подход обеспечивает ряд преимуществ. Поскольку компоненты являются жидкими, перенос электрических зарядов и химических компонентов внутри каждого компонента и от одного к другому происходит сверхбыстро, что позволяет быстро пропускать большие токи в батарею и из нее. Когда батарея разряжается, верхний слой расплавленного металла истончается, а нижний — толще. Когда он заряжается, толщина меняется на противоположную. Здесь нет никаких стрессов, отмечает Садоуэй. «Вся система очень гибкая и просто принимает форму контейнера». В то время как твердые электроды склонны к растрескиванию и другим видам механических повреждений с течением времени, жидкие электроды не изнашиваются при использовании.

Действительно, каждый раз, когда батарея заряжается, ионы из верхнего металла, которые были осаждены в нижний слой, возвращаются в верхний слой, очищая электролит в процессе. Все три компонента восстановлены. Кроме того, поскольку компоненты естественным образом саморазделяются, нет необходимости в мембранах или сепараторах, которые подвержены износу. Жидкостная батарея должна выполнять много циклов заряда и разряда без потери емкости и необходимости технического обслуживания. А саморазделяющаяся природа жидких компонентов может способствовать более простому и менее дорогому производству по сравнению с обычными батареями.

Выбор материалов

Перед Садовеем и тогдашним аспирантом Дэвидом Брэдвеллом, MEng ’06, PhD ’11, стояла задача выбрать лучшие материалы для новой батареи, особенно для ее электродов. Существуют методы прогнозирования поведения твердых металлов в определенных условиях. Но эти методы «не представляли для нас никакой ценности, потому что мы хотели моделировать жидкое состояние», — говорит Садоуэй, — и больше никто в этой области не работал. Поэтому ему пришлось опираться на то, что он называет «осведомленной интуицией», основанной на его опыте работы в области электрометаллургии и преподавания химии в большом классе первокурсников.

Чтобы снизить затраты, Садоуэй и Бредвелл должны были использовать материалы для электродов, которые были бы дешевыми и долговечными. Чтобы достичь высокого напряжения, им пришлось соединить сильный донор электронов с сильным акцептором электронов. Верхний электрод (донор электронов) должен был иметь низкую плотность, а нижний электрод (акцептор электронов) — высокую плотность. «К счастью, — говорит Садоуэй, — в периодической таблице сильные электроположительные [донорные] металлы имеют низкую плотность, а сильные электроотрицательные [акцепторные] металлы — высокую плотность» (см. рис. 2 на слайд-шоу выше). И, наконец, все материалы должны были быть жидкими при практических температурах.

В качестве первой комбинации Садоуэй и Брэдвелл выбрали магний для верхнего электрода, сурьму для нижнего электрода и смесь солей, содержащую хлорид магния, для электролита. Затем они построили прототипы своей ячейки — и они заработали. Три жидких компонента самоотделились, и батарея работала так, как они и предсказывали. Вдохновленные своим успехом, в 2010 году они вместе с Луисом Ортисом SB ’96, PhD ’00, также бывшим членом исследовательской группы Садовея, основали компанию, первоначально называвшуюся Liquid Metal Battery Corporation, а затем Ambri, для продолжения разработки и масштабирования. до новой технологии.

Пока нет

Но возникла проблема. Чтобы компоненты оставались расплавленными, батарея должна была работать при температуре 700 градусов по Цельсию (1292 градуса по Фаренгейту). Работа в таком горячем состоянии потребляла часть электрической мощности батареи и увеличивала скорость коррозии и разрушения вторичных компонентов, таких как стенка ячейки. Поэтому Садоуэй, Брэдвелл и их коллеги из Массачусетского технологического института продолжили поиск активных материалов.

Первые результаты химии элементов из магния и сурьмы ясно продемонстрировали жизнеспособность концепции жидкометаллических батарей; в результате исследования на территории кампуса получили более 11 миллионов долларов от спонсоров, включая Total и программу ARPA-E Министерства энергетики США. Приток долларов на исследования позволил Садовею увеличить исследовательскую группу в Массачусетском технологическом институте почти до 20 аспирантов, студентов и докторантов, которые были готовы принять вызов.

Через несколько месяцев команда начала штамповать новые варианты химии на основе различных материалов с более низкой температурой плавления. Например, вместо сурьмы использовали свинец, олово, висмут и сплавы подобных металлов; а вместо магния использовали натрий, литий и сплавы магния с такими металлами, как кальций. Вскоре исследователи поняли, что они не просто искали новую химию батареи. Вместо этого они открыли новую аккумуляторную «платформу», из которой могло появиться множество потенциально коммерчески жизнеспособных клеточных технологий с рядом атрибутов.

Новые химические элементы элементов стали демонстрировать значительное снижение рабочей температуры. Ячейки натрия и висмута работали при 560 градусах Цельсия. Литиевые и висмутовые элементы работали при 550 С. А батарея с отрицательным электродом из лития и положительным электродом из сурьмяно-свинцового сплава работала при 450 С.

Работая с последней комбинацией, исследователи наткнулись на неожиданное электрохимическое явление. : они обнаружили, что могут поддерживать высокое напряжение ячейки исходного электрода из чистой сурьмы с помощью новой версии сурьмяно-свинцового электрода — даже когда они сделали состав на целых 80 процентов свинцом, чтобы снизить температуру плавления на сотни градусов.

«К нашему приятному удивлению, добавление большего количества свинца к сурьме не уменьшило напряжение, и теперь мы понимаем, почему», — говорит Садоуэй. «Когда литий входит в сплав сурьмы и свинца, литий предпочтительно реагирует с сурьмой, потому что это более прочная связь. Поэтому, когда литий [с верхнего электрода] попадает на нижний электрод, он игнорирует свинец и связывается с сурьмой».

Это неожиданное открытие напомнило им, как мало известно в этой новой области исследований, а также предложило изучить новые химические процессы в клетках. Например, недавно они собрали пробную ячейку с использованием положительного электрода из сплава свинца и висмута, отрицательного электрода из металлического натрия и нового электролита из смешанного гидроксида-галогенида. Ячейка работала при температуре всего 270°С, что более чем на 400°С ниже, чем у первоначальной магниево-сурьмяной батареи, при сохранении той же новой конструкции ячейки с тремя естественными разделяющими слоями жидкости.

Роль новой технологии

Платформа жидкометаллических аккумуляторов предлагает необычное сочетание функций. В общем, батареи характеризуются тем, сколько энергии и какую мощность они могут обеспечить. (Энергия — это общий объем работы, которую можно выполнить, а мощность — это скорость выполнения работы.) В общем, технологии работают лучше по одному показателю, чем по другому. Например, в случае с конденсаторами быстрая доставка обходится дешево, а хранение в изобилии обходится дорого. С насосной гидроэнергетикой все наоборот.

Но для сетевого хранилища важны обе возможности — и жидкометаллическая батарея потенциально может выполнять обе функции. Он может хранить много энергии (скажем, достаточно, чтобы продержаться во время отключения электроэнергии) и быстро доставлять эту энергию (например, чтобы мгновенно удовлетворить спрос, когда облако проходит перед солнцем). В отличие от литий-ионного аккумулятора, он должен иметь длительный срок службы; и в отличие от свинцово-кислотного аккумулятора, он не будет деградировать при полной разрядке. И хотя сейчас это кажется более дорогим, чем гидроэлектроэнергия, батарея не имеет ограничений на то, где ее можно использовать. В гидронасосах вода закачивается вверх в резервуар, а затем выпускается через турбину для выработки электроэнергии, когда это необходимо. Поэтому для установки требуется как склон холма, так и источник воды. Жидкометаллическая батарея может быть установлена ​​практически в любом месте. Нет необходимости в холме или воде.

Вывод на рынок

Компания Ambri спроектировала и построила завод по производству жидкометаллических аккумуляторов в Мальборо, штат Массачусетс. Как и ожидалось, производство несложно: просто добавьте электродные металлы и соль электролита в стальной контейнер и нагрейте его до заданной рабочей температуры. Материалы плавятся в аккуратные жидкие слои, образуя электроды и электролит. Процесс производства ячеек разработан и внедрен и будет постоянно совершенствоваться. Следующим шагом будет автоматизация процессов объединения множества элементов в крупноформатную батарею, включая силовую электронику.

Компания Ambri не сообщала о том, какую химию жидкометаллических аккумуляторов она коммерциализирует, но сообщает, что работала над одной и той же химией последние четыре года. По словам Брэдуэлла, ученые и инженеры Ambri построили более 2500 аккумуляторных элементов из жидкого металла и добились тысяч циклов заряда-разряда с незначительным снижением количества хранимой энергии. Эти демонстрации подтверждают первоначальный тезис Садоуэя и Брэдвелла о том, что полностью жидкостная батарея будет способна обеспечить более высокую производительность, чем твердотельные альтернативы, и сможет работать десятилетиями.

В настоящее время исследователи из Амбри решают последнюю инженерную задачу: разработать недорогое практичное уплотнение, которое предотвратит утечку воздуха в каждую отдельную ячейку, что позволит годами работать при высоких температурах. Как только необходимые уплотнения будут разработаны и испытаны, начнется производство аккумуляторов. Исследователи планируют доставить прототипы для полевых испытаний в нескольких местах, в том числе на Гавайях, где много солнечного света, но производство электроэнергии по-прежнему зависит от сжигания дорогого дизельного топлива. Одним из объектов является военно-морская база Перл-Харбор на острове Оаху. «Вызывает тревогу то, что наши военные базы зависят от гражданской электросети, — говорит Садоуэй. «Если эта сеть выйдет из строя, база должна включить дизельные генераторы, чтобы заполнить брешь. Таким образом, база может оставаться без электричества около 15 минут, что, вероятно, является достаточным временем для нанесения серьезного ущерба». Новая батарея может сыграть ключевую роль в предотвращении такого исхода.

Тем временем в лаборатории исследователи Массачусетского технологического института продолжают изучать другие химические вещества для ядра жидкостной батареи. Действительно, Садоуэй говорит, что его команда уже разработала альтернативную конструкцию, которая предлагает еще более низкие рабочие температуры, больший запас энергии, меньшую стоимость и более длительный срок службы. Учитывая общий недостаток знаний о свойствах и потенциальном использовании жидких металлов, Садоуэй считает, что в этой области еще могут быть сделаны крупные открытия. Результаты их экспериментов «открыли двери для целого ряда других вариантов, которые мы сделали», — говорит Садоуэй. «Это было действительно круто».

Это исследование было проведено при поддержке Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) и французской энергетической компании Total, поддерживающего члена MIT Energy Initiative. Первыми сторонниками были Центр Дешпанде, Семейный фонд Чесонис, Total и ARPA-E.

Эта статья опубликована в осеннем выпуске 2015 года Energy Futures , журнала MIT Energy Initiative.

Поделиться этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Forbes

Сотрудник Forbes Дэвид Блэкмон рассказывает об Ambri, стартапе Массачусетского технологического института, занимающемся разработкой жидкометаллических аккумуляторов. Блэкмон пишет, что Ambri разрабатывает новую аккумуляторную технологию, которая может «помочь возобновляемым источникам энергии, таким как ветер и солнечная энергия, расти быстрее в ближайшие годы и помочь им занять большую долю производства электроэнергии во всем мире».

Полная история через Forbes →

CBC News

Профессор Дональд Садоуэй беседует с репортером CBC News Полом Хантером о своей работе по разработке перезаряжаемой батареи, которая достаточно велика для питания всего района и использует жидкие металлы и расплавленную соль. Хантер пишет, что «изобретение Садовея радикально отличается от всего, что есть на рынке».

Полная история через CBC News →

Ссылки по теме

  • Дональд Садоуэй
  • Статья: «Магниево-сурьмяная жидкометаллическая батарея для стационарного хранения энергии».
  • Доклад: «Жидкометаллические аккумуляторы: прошлое, настоящее и будущее».
  • Документ: «Самовосстановление Li-Bi жидкометаллическая батарея для хранения энергии в масштабе сети».
  • Документ: «Низкотемпературные расплавленные солевые электролиты для безмембранных металлических натриевых батарей».
  • Документ: «Литий-сурьмяно-свинцовая жидкометаллическая батарея для хранения энергии на уровне сети».
  • Департамент материаловедения и инженерии
  • Будущее энергетики, осень 2015 г. литий-ионный аккумулятор и как он работает?

    Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор представляет собой аккумулятор с передовой технологией, в которой ионы лития используются в качестве ключевого компонента его электрохимии. Во время цикла разряда атомы лития в аноде ионизируются и отделяются от своих электронов. Ионы лития движутся от анода и проходят через электролит, пока не достигнут катода, где рекомбинируют со своими электронами и электрически нейтрализуют. Ионы лития достаточно малы, чтобы проходить через микропроницаемый разделитель между анодом и катодом. Отчасти из-за небольшого размера лития (уступая только водороду и гелию) литий-ионные батареи способны иметь очень высокое напряжение и запас заряда на единицу массы и единицы объема.

    В литий-ионных батареях в качестве электродов могут использоваться различные материалы. Наиболее распространенной комбинацией является комбинация оксида лития-кобальта (катод) и графита (анод), которая чаще всего встречается в портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Другие катодные материалы включают оксид лития-марганца (используемый в гибридных электрических и электрических автомобилях) и фосфат лития-железа. В литий-ионных батареях в качестве электролита обычно используется эфир (класс органических соединений).

    Применение аккумуляторов

    Математические модели эффективности аккумуляторов

    Каковы некоторые преимущества литий-ионных аккумуляторов?

    По сравнению с другими высококачественными аккумуляторами (никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными) литий-ионные аккумуляторы имеют ряд преимуществ. У них одна из самых высоких плотностей энергии среди аккумуляторных технологий на сегодняшний день (100-265 Втч/кг или 250-670 Втч/л). Кроме того, литий-ионные аккумуляторные элементы могут выдавать напряжение до 3,6 В, что в 3 раза выше, чем у таких технологий, как Ni-Cd или Ni-MH. Это означает, что они могут обеспечивать большое количество тока для мощных приложений, в которых литий-ионные батареи также сравнительно просты в обслуживании и не требуют плановых циклов для продления срока службы батареи. Литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, пагубного процесса, при котором повторяющиеся циклы частичной разрядки/зарядки могут привести к тому, что аккумулятор «запомнит» более низкую емкость. Это преимущество как перед Ni-Cd, так и перед Ni-MH, которые проявляют этот эффект. Литий-ионные аккумуляторы также имеют низкую скорость саморазряда, составляющую около 1,5-2% в месяц. Они не содержат токсичного кадмия, что облегчает их утилизацию по сравнению с Ni-Cd батареями.

    Благодаря этим преимуществам литий-ионные аккумуляторы вытеснили никель-кадмиевые аккумуляторы и заняли лидирующие позиции на рынке портативных электронных устройств (таких как смартфоны и ноутбуки). Литий-ионные батареи также используются для питания электрических систем в некоторых аэрокосмических приложениях, в частности, в новом и более экологичном Боинге 787, где вес является значительным фактором стоимости. С точки зрения экологически чистой энергии большая часть перспектив литий-ионных технологий исходит из их потенциального применения в автомобилях с батарейным питанием. В настоящее время самые продаваемые электромобили Nissan Leaf и Tesla Model S используют литий-ионные аккумуляторы в качестве основного источника топлива.

    Какие недостатки у литий-ионных аккумуляторов?

    Несмотря на свои технологические перспективы, литий-ионные аккумуляторы по-прежнему имеют ряд недостатков, особенно в отношении безопасности. Литий-ионные аккумуляторы имеют тенденцию к перегреву и могут быть повреждены при высоких напряжениях. В некоторых случаях это может привести к тепловому разгону и возгоранию. Это вызвало серьезные проблемы, в частности, остановку парка самолетов Boeing 787 после того, как поступили сообщения о возгорании бортовых батарей. Из-за рисков, связанных с этими батареями, ряд транспортных компаний отказываются выполнять массовые перевозки батарей самолетами. Для литий-ионных аккумуляторов требуются защитные механизмы для ограничения напряжения и внутреннего давления, что в некоторых случаях может увеличить вес и ограничить производительность. Литий-ионные аккумуляторы также подвержены старению, а это означает, что они могут терять емкость и часто выходят из строя через несколько лет. Еще одним фактором, ограничивающим их широкое распространение, является их стоимость, которая примерно на 40% выше, чем у Ni-Cd. Решение этих проблем является ключевым компонентом текущих исследований в области технологии. Наконец, несмотря на высокую плотность энергии литий-ионных аккумуляторов по сравнению с другими типами аккумуляторов, они по-прежнему имеют примерно в сто раз меньшую плотность энергии, чем бензин (который содержит 12 700 Втч/кг по массе или 8760 Втч/л по объему).

    CEI Contributions

    Research Highlights

    Одним из способов, которым CEI работала для достижения этой цели, является прямая визуализация, в частности, с использованием рентгеновской спектроскопии. Недавно в лаборатории профессора Джерри Зайдлера был разработан метод проведения рентгеновской спектроскопии ближней краевой структуры (XANES) на рабочем столе. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости вскрывать ее и, таким образом, нарушать работу системы. Раньше XANES можно было реализовать только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие установки стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким большим спросом среди ученых, что многомесячные списки ожидания становятся нормой. Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, проводимые на синхротроне. С помощью этого нового инструмента ученые могут получать результаты в течение нескольких часов без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки нестандартных технологий.

    Другой аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей внутреннего состояния аккумулятора. Это может помочь оптимизировать производительность батареи и циклы зарядки/разрядки, а также прогнозировать и предотвращать опасные отказы батареи. Профессор Венкат Субраманян, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления технологическими процессами для электрохимических систем (MAPLE), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью. Создав более эффективную, универсальную и точную модель технологии литий-ионных аккумуляторов, M.A.P.L.E. Исследования лаборатории могут помочь в разработке аккумуляторов более точно для более безопасной и эффективной работы.

    Другие направления

    Большая часть текущих исследований CEI направлена ​​на разработку способов лучшего понимания и управления важными внутренними состояниями литий-ионных аккумуляторов. Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.

    Другим крупным направлением исследований CEI является разработка новых материалов для улучшения характеристик аккумуляторов. В центре внимания CEI находятся как наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных батареях, так и характеристика и дизайн наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до нанометра. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.

    Кремний исследуется в качестве анодного материала, поскольку он может образовывать трехмерную клетку, обладающую большей способностью поглощать литий.

    Узнать больше

    • Веб-сайт, посвященный батареям и их повторному использованию, создан студентом REU Alek Lazarski «Мост чистой энергии»
    • На веб-странице исследовательской группы
    • Subramanian есть свежие публикации о нелинейном моделирующем прогнозирующем управлении для литий-ионных аккумуляторов и других электрохимических систем.
    • Институт чистой энергии (UW) ускоряет масштабные исследования чистой энергии, включая солнечную энергию следующего поколения, материалы для аккумуляторов, а также их интеграцию с системами и сетью. У него также есть информационно-пропагандистские программы, чтобы заинтересовать студентов в области STEM и чистой энергии. http://www.cei.washington.edu/ & http://www.cei.washington.edu/education/products/
    • Университет аккумуляторов, спонсируемый Cadex Electronics Inc., предоставляет бесплатные учебные материалы по аккумуляторам. http://batteryuniversity.com/
    • «Батареи в портативном мире. Справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров», опубликованный основателем Cadex Electronics Inc. На веб-сайте есть примечания к книге. http://www.buchmann.ca/buchmann/
    • В Википедии содержится хороший обзор химии литий-ионных аккумуляторов и их разработки. https://en.wikipedia.org/wiki/Литий-ионная_батарея

    Сырье для аккумуляторов – откуда и куда?

    • Список журналов
    • Коллекция чрезвычайных ситуаций в области общественного здравоохранения Nature
    • PMC83

    ATZ Worldw. 2021; 123(9): 8–13.

    Опубликовано в сети 27 августа 2021 г. doi: 10.1007/s38311-021-0715-5

    PMCID: PMC83

    Информация об авторе Информация об авторских правах и лицензиях Отказ от ответственности на возрастающий спрос на сырье. В частности, на этапе наращивания электромобильности время от времени могут возникать узкие места в подаче электроэнергии. На более позднем этапе концепции переработки использованных аккумуляторных элементов могут снизить нагрузку на цепочки поставок.

    Мировой парк электромобилей вырос до 10,9 млн автомобилей в 2020 году [1], что на три миллиона больше, чем в предыдущем году. С более чем пятью миллионами электромобилей на дорогах Китай по-прежнему является бесспорным лидером, за ним следуют США. с 1,77 млн. Германия вышла на третье место с почти 570 000 электромобилей [1]. В 2020 году количество вновь зарегистрированных электромобилей достигло рекордной отметки в 3,18 млн единиц. Начиная с 2030 г. они могут составлять от 25 до 75 % новых регистраций. Это приведет к потребности в мощности батарей от 1 до 6 ТВтч в год, в зависимости от того, какое исследование читается [2].

    По мере распространения электромобилей спрос на специальное сырье для автомобилей и, в частности, на аккумуляторы будет продолжать расти. Все прогнозы показывают, что литий-ионные батареи станут стандартным решением для электромобилей в течение следующих десяти лет, поэтому основными необходимыми веществами будут графит, кобальт, литий, марганец и никель. Согласно оценкам Фраунгоферовского института системных и инновационных исследований (ISI), несмотря на развитие клеточной химии, весовая доля лития в каждой клетке, составляющая около 72 г/кг, вряд ли заметно сократится в течение этого периода. Однако доля кобальта может значительно снизиться с 200 г/кг массы клетки до примерно 60 г/кг. Таким образом, потребность в первичном сырье для производства автомобильных аккумуляторов к 2030 г. должна составить от 250 до 450 тыс. т лития, от 250 до 420 тыс. т кобальта и от 1,3 до 2,4 млн т никеля.

    При оценке месторождений сырья необходимо учитывать две разные цифры: с одной стороны, общедоступные ресурсы на планете, а с другой стороны, месторождения, которые можно рентабельно извлекать с использованием современных технологий. по текущим рыночным ценам. На этом этапе можно дать полную ясность для литий-ионных автомобильных аккумуляторов. Ученые подтвердили наличие достаточного количества сырья. В большинстве случаев общие запасы значительно превысят прогнозируемый спрос, даже если количество необходимого сырья будет увеличиваться параллельно в результате увеличения спроса в других областях.

    Тем не менее, несколько исследований показывают, что временная нехватка или повышение цен на отдельные виды сырья, безусловно, возможны, например, если необходимо открыть новые производственные площадки, если спрос слишком велик или существуют проблемы с экспортом из стран-производителей. Ситуация значительно варьируется в зависимости от различных металлов, как показывает углубленный анализ и оценка Немецкого агентства по минеральным ресурсам (Dera), которые более подробно описаны ниже для пяти химических элементов.

    Графит используется в качестве анодного материала в литий-ионных батареях. Он имеет самую высокую объемную долю всего сырья для аккумуляторов, а также представляет собой значительный процент затрат на производство элементов. Китай уже несколько лет играет доминирующую роль почти во всей цепочке поставок и производит почти 50 % мирового синтетического графита и 70 % чешуйчатого графита, который требует предварительной обработки перед использованием в батареях. За последние несколько лет наблюдается увеличение разведочных работ, особенно в Африке. Новые участки добычи в Мозамбике, Танзании и Мадагаскаре могут снизить давление на высококонцентрированный мировой рынок. Однако риски, связанные с переработкой чешуйчатого графита, также создают проблему для безопасности поставок, поскольку она почти полностью осуществляется в Китае вместе с производством анодов. В настоящее время ведутся исследования новых анодных материалов, которые, если бы они использовались в батареях массового производства, могли бы повлиять на будущий спрос на графит.

    Открыть в отдельном окне

    Требования к литию для производства аккумуляторов для электромобилей в Европе в 2030 году в зависимости от производственных мощностей (NMC 811: 80 % никеля, 10 % марганца, 10 % кобальта; NMC 622: 60 % никеля, 20 % марганца, 20 % кобальта)

    © [M] Dera

    Подобно никелю и марганцу, кобальт необходим для катодов батарей. В настоящее время он представляет наибольшие риски при закупке всего сырья для аккумуляторов. Это связано, в частности, с ожидаемым динамичным ростом спроса и вытекающими из этого потенциальными узкими местами в поставках. «Исходя из текущих сценариев, спрос на кобальт для электромобилей к 2030 году может увеличиться до 315 000 тонн, что в 20 раз превышает нынешний объем», — говорит Сийаменд Аль Барази из Дера. Продолжающаяся разработка катодов с низким содержанием кобальта или даже без кобальта может привести к значительному снижению общего спроса. Роль Демократической Республики Конго, которая на сегодняшний день является крупнейшим производителем, представляет серьезные риски для стратегического планирования. «Добыча кобальта доминирует на мировом рынке уже более десяти лет, с текущей долей рынка 69%, и страна может значительно увеличить добычу, если спрос продолжит расти», — поясняет Аль Барази. данные в странах представляют собой годовое производство)

    © [M] Agora Verkehrswende

    Поскольку рынок лития относительно невелик, ожидаемое увеличение спроса особенно велико по сравнению с текущими уровнями производства. «Наши расчеты показывают, что потребности в поставках утроить к 2026 году просто для того, чтобы покрыть будущий спрос», — говорит Майкл Шмидт из Dera. Добыча лития в настоящее время ограничена Австралией, Чили и Аргентиной, а также несколькими компаниями, и только четыре предприятия контролируют почти 60% мирового производства. Бум производства лития в последние годы показал, что рынок лития претерпевает серьезные изменения. проекты планируются и реализуются в других странах, таких как Канада, Мексика и Боливия. Европа также имеет значительный потенциал. Узкие места в поставках лития в настоящее время маловероятны, но эксперты указали, что концентрация всего на нескольких странах-производителях останется неизменной. «Кроме того, азиатские производители батарей, в частности, получили большие квоты, заключив долгосрочные контракты на поставку и приобретя доли в компаниях. Это значительно сократило количество свободного лития на мировом рынке», — говорит Шмидт.

    Применение аккумуляторов составляет лишь небольшую часть рынка марганца. Основным потребителем марганца является сталелитейная промышленность, которая потребляет около 90 % мировых поставок. В настоящее время только около 0,2 % добываемого в мире марганца используется в литий-ионных батареях. В будущем эта цифра увеличится примерно до 1%.

    Открыть в отдельном окне

    Мировое производство добываемого лития в 2015 г. плюс запасы (цвет стран указывает на запасы; данные по странам представляют собой годовое производство)

    © [M] Agora Verkehrswende

    Мировой спрос на никель для производства литий-ионных аккумуляторов в 2019 году составил более 150 000 тонн. Это составляет менее 5 % объема мирового рынка первичного никеля. К 2025 году спрос со стороны сектора электромобилей может увеличиться примерно до 500 000 т в год, что будет эквивалентно 15 % всего мирового рынка. Для повышения плотности энергии литий-ионных аккумуляторов в элементах используется гораздо большая доля никеля. Это означает, что спрос будет расти непропорционально увеличению производства аккумуляторов. Сульфат никеля необходим для литий-ионных аккумуляторов, которые являются нишевым продуктом, производимым из никеля класса I (более 9чистота 9 %). Чтобы удовлетворить растущий спрос в будущем, необходимо разработать новые методы производства сульфата никеля. Рынок сильно зависит от поставок первичного никеля из Юго-Восточной Азии и, в частности, из Индонезии, которая на сегодняшний день является крупнейшей страной по добыче никеля. В 2020 году Индонезия ввела запрет на экспорт никелевой руды, чтобы гарантировать, что значительные части производственно-сбытовой цепочки останутся в стране. В настоящее время он является вторым по величине производителем никеля в мире после Китая, но только никеля класса II (менее 9чистота 9 %). В Индонезии реализуется множество проектов, направленных на производство более качественной никелевой продукции для производства аккумуляторов.

    Чтобы уменьшить мировую зависимость от стран-производителей сырья, упомянутых выше, в будущем все большее значение будет иметь создание всеобъемлющей структуры переработки. Процессы извлечения сырья из небольших литий-ионных аккумуляторов, таких как те, что используются в сотовых телефонах, частично уже внедряются. Однако автомобильные аккумуляторы намного больше, тяжелее и мощнее, что усложняет индустриализацию процесса переработки. Федеральное министерство экономики и энергетики Германии (BMWi) вместе с Vinnova, шведским агентством по инновациям, финансирует исследовательский проект Libero в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена в рамках Центральной инновационной программы для МСП (ZIM). Немецко-шведский консорциум, состоящий из двух партнеров из промышленности и двух из исследовательского мира в каждой стране, работает над разработкой надежного, гибкого и в значительной степени безотходного процесса переработки аккумуляторов. Цель проекта, который начался в 2019 году, заключается в планировании завода мощностью по переработке 25 000 т аккумуляторной массы в год . Финская компания Fortum, наполовину принадлежащая государству, уже разработала процесс утилизации литий-ионных аккумуляторов от электромобилей.

    Компания Umicore является одним из пионеров в области коммерческой переработки батарей. Процесс, разработанный компанией, состоит из пирометаллургической и гидрометаллургической фаз. На начальной стадии термической обработки получается сплав, содержащий кобальт, никель и медь, а также фракцию шлака. Металлы извлекаются на последующей гидрометаллургической стадии процесса. Первый завод по переработке Umicore имеет мощность 7000 т аккумуляторной массы в год, что соответствует примерно 35000 аккумуляторов для электромобилей.

    В начале 2021 года Volkswagen запустил пилотный завод по переработке высоковольтных автомобильных аккумуляторов на своей площадке в немецком городе Зальцгиттер. Завод будет извлекать 100 % лития, никеля, марганца и кобальта, а также 90 % алюминия, меди и пластика. В настоящее время завод рассчитан на переработку до 3600 аккумуляторных систем в год, что эквивалентно примерно 1500 т массы аккумуляторов. Тем не менее, система может быть расширена для обработки больших объемов, когда станет доступно больше использованных батарей. По словам Volkswagen, процесс переработки не включает плавку в доменной печи, которая требует большого количества энергии. Отработавшие аккумуляторные системы, доставленные на завод, подвергаются глубокой разрядке и разбираются. Отдельные части измельчаются с образованием гранулята, который затем высушивается. В ходе этого процесса производятся алюминий, медь и пластмассы и, что наиболее важно, черная порошкообразная смесь, содержащая основные сырьевые материалы для аккумуляторов: литий, никель, марганец, кобальт и графит. Впоследствии партнеры-специалисты Volkswagen несут ответственность за разделение и обработку отдельных элементов с помощью гидрометаллургических процессов, в которых используются вода и химикаты.

    Весовая доля перерабатываемого материала в литий-ионном аккумуляторе (источник: Volkswagen)

    Перерабатываемый материал Весовая доля [кг] (при общей массе аккумулятора 400 кг)
    Aluminum 126
    Graphite 71
    Nickel 41
    Electrolyte 37
    Copper 22
    Plastic 21
    Manganese 12
    Cobalt 9
    Electronics 9
    Lithium 8
    Steel 3
    Остаток 41

    Открыть в отдельном окне

    «Это позволяет использовать ключевые компоненты старых аккумуляторных элементов для производства новых катодов», — объясняет Марк Мёллер, руководитель отдела технического развития. и подразделение E-Mobility Volkswagen Group Components. «Поскольку спрос на батареи и, следовательно, на сырье значительно возрастет, мы сможем эффективно использовать каждый грамм материала, который мы восстанавливаем». Другие производители автомобилей, такие как Mercedes-Benz, думают так же. Как пояснила компания по запросу, она планирует построить завод по переработке высоковольтных аккумуляторов на своем заводе в Гаггенау в Германии.

    Повторное использование старых автомобильных аккумуляторов в стационарных условиях может продлить срок их службы до того, как возникнет необходимость в их переработке. В настоящее время нет практического опыта в отношении того, сколько батарей будет соответствовать требованиям для повторного использования с точки зрения их остаточной емкости и срока службы. В общем, концепция второй жизни подходит только для приложений, в которых можно использовать старые батареи с низкой плотностью энергии. Кроме того, необходимо решить такие вопросы, как стандартизация и гарантии.

    Согласно Fraunhofer ISI, можно ожидать более высоких показателей отказов и замены, чем в случае с новыми батареями, что означает, что высокий уровень надежности, требуемый, например, от децентрализованных систем хранения батарей для жилых зданий, не может быть гарантирован. Из-за необходимых уровней резервирования количество необходимых элементов и, следовательно, стоимость батарей будут выше. Предположение Fraunhofer ISI состоит в том, что только часть старых тяговых батарей может получить вторую жизнь.

    1. Электроавтомобили: Bestand steigt weltweit auf 10,9 Millionen. Онлайн: https://www.zsw-bw.de/presse/aktuelles/detailansicht/news/detail/News/elektroautos-bestand-steigt-weltweit-auf-109-millionen.html, доступ: 27 апреля 2021 г.

    2. Thielmann, A. et al.: Batterien für Elektroautos: Faktencheck und Handlungsbedarf. Онлайн: https://www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/cct/2020/Faktencheck-Batterien-fuer-E-Autos.pdf, доступ: 27 апреля 2021 г.

    3. Al Barazi, S. et al.: Batterierohstoffe für die Elektromobilität. Онлайн: https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/DERA%20 Themenheft-01-21.pdf;jsessionid=396E609556CA74734128C336131440D7.1_cid331?__blob=publicationFile&v=2, доступ: 27 апреля 2021 г.

      .
    4. Schäfer, P.: Neues Anodenmaterial für leistungsfähigere Li-Ion-Batterien. Онлайн: https://www.springerprofessional.de/batterie/werkstoffe/neues-anodenmaterial-fuer-leistungsfaehigere-li-ion-batterien/18497460, доступ: 18 мая 2021 г.

    5. RWTH Aachen: Завод RWTH Pilotanlage für das Recycling von 25.000 Tonnen Batterien. Онлайн: https://www.rwth-aachen.de/go/id/dzeoz?#aaaaaaaaaadzewc, доступ: 27 апреля 2021 г.

    6. Райхенбах, М.: Finnland startet mit nationaler Batteriestrategie durch. Интернет https://www.springerprofessional.de/link/19155626, доступ: 18 мая 2021 г.

    7. Volkswagen: Aus alt mach neu: Volkswagen Group Components startet Batterie-Recycling. Онлайн: https://www.volkswagen-newsroom.com/de/pressemitteilungen/aus-alt-mach-neu-volkswagen-group-components-startet-batterie-recycling-6789, доступ: 27 апреля 2021 г.

    8. Köllner, C.: Faktencheck Elektroauto-Batterien. Онлайн: https://www.springerprofessional.de/batterie/elektrofahrzeuge/faktencheck-elektroauto-batterien/ 17624376, дата доступа: 18 мая 2021 г.

    2 вопроса для …

    Каковы особенности вашей концепции утилизации литий-ионных аккумуляторов от электромобилей?

    Holländer _ Традиционным способом переработки литий-ионных аккумуляторов является термический метод. Fortum использует комбинацию механической и гидрометаллургической переработки, которая обеспечивает значительно более низкий уровень выбросов CO 2 след. С помощью этой технологии способность разделять различные металлы также намного лучше, и извлекается гораздо большая часть активных материалов батареи; Другими словами, мы можем восстановить до 95 % дефицитных и ценных металлов в черной массе батареи. В начале этого года мы запатентовали собственный метод выделения лития.

    Открыть в отдельном окне

    Теро Холландер Руководитель направления Аккумуляторы в Fortum

    © Фортум

    Когда, по вашему мнению, процесс будет индустриализирован, когда будет достаточно батарей для экономичной эксплуатации завода?

    Holländer _ Мы уже работаем в промышленных масштабах, и наша текущая мощность переработки составляет около 3000 т в год, что эквивалентно примерно 10 000 аккумуляторов для электромобилей. Наш завод по механической переработке в Икаалинене в настоящее время находится на стадии ввода в эксплуатацию, и у нас есть опытный промышленный завод по гидрометаллургической переработке в Харьявалте. Нашей целью является строительство крупного гидрометаллургического завода в Харьявалте, который позволит нам в будущем перерабатывать большее количество материалов.

    Мнение

    «Как всегда, вся цепочка поставок сырья для литий-ионных аккумуляторов настолько прочна, насколько прочно ее самое слабое звено. Производство аккумуляторов может работать бесперебойно только тогда, когда все необходимое сырье доступно в нужном месте. время и в достаточном количестве. Чтобы достичь этой цели и обеспечить быстрое распространение электрической мобильности, все политики и бизнес-лидеры на международном уровне должны двигаться в одном направлении. весь процесс производства автомобилей наглядно продемонстрировал корабль, перекрывший Суэцкий канал, и дефицит электронных компонентов, вызванный Covid-19пандемия».

    Ричард Бакхаус

    является корреспондентом ATZ | MTZ | ATZelectronics.

    Немного о батареях | Тесла

    Немного о батареях

    Мартин Эберхард 30 ноября 2006 г.

    К настоящему времени большинство людей знают, что Tesla Roadster питается от литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов. Но вот несколько вещей о наших батареях, о которых вы, возможно, не слышали. Наша аккумуляторная система — или система накопления энергии, как мы ее называем, — состоит из 6 831 отдельных литий-ионных элементов. Это примерно размер багажника и весит около 9 г.00 фунтов. Аккумуляторная система, надежно расположенная в задней части родстера Tesla, является секретом нашего четырехсекундного ускорения от 0 до 60 миль в час и феноменального запаса хода. Чтобы достичь такого уровня производительности, мы тщательно подошли к выбору аккумуляторной технологии. Аккумуляторы не идеальны – в этом нет сомнений. Хотя рыночные силы продолжают стимулировать совершенствование аккумуляторов, система литий-ионных аккумуляторов в родстере Tesla представляет собой самое лучшее из существующих на сегодняшний день аккумуляторных технологий. Эти литий-ионные батареи намного лучше, чем никель-металлогидридные (NiMH) элементы и свинцово-кислотные элементы, которые использовались в электромобилях прошлого, но они тоже имеют свои ограничения. Одной из самых сложных задач при проектировании аккумуляторов является увеличение плотности энергии при максимальном сроке службы аккумулятора. Литий-ионная химия достигла лучших сочетаний этих параметров, чем что-либо, что было раньше. Тем не менее, даже в семействе литий-ионных аккумуляторов по-прежнему существует компромисс между энергией и жизнью.

    Рюкзак: аккумулятор перевозится в самой безопасной и прочной части автомобиля

    Суть в том, что все батареи стареют и при этом теряют емкость. Это, в свою очередь, сокращает запас хода. Батареи стареют по мере использования и стареют со временем, даже если они не используются. Мы склонны рассматривать два вида старения: старение от использования, называемое «цикличностью», и старение во времени, известное как «календарная жизнь». Эти два разных механизма старения можно рассматривать как отдельные, перекрывающиеся силы. На самом деле они всегда работают вместе, и в зависимости от типа приложения и схемы использования одно может стать более важным, чем другое. Еще одно соображение заключается в том, что условия окружающей среды, такие как температура и влажность, по-своему влияют на каждый механизм старения. И, конечно же, разные типы аккумуляторов стареют по-разному с точки зрения срока службы циклов и календарного срока службы. В процессе разработки Tesla Roadster и в предыдущих проектах мы действительно стали экспертами в области аккумуляторных технологий, особенно литий-ионных. На этой неделе мы поделимся с вами тем, что узнали о технологии аккумуляторов, и о том, что вам следует ожидать от родстера Tesla с литий-ионным двигателем. Срок службы Для литий-ионных элементов производители определяют срок службы как количество полных циклов разрядки-зарядки, которые требуются для уменьшения емкости элемента до некоторой доли его исходного состояния. (Общий порог, используемый в индустрии ноутбуков, составляет 80 процентов.) Обратите внимание, что в конце этих циклов ячейка, как правило, не полностью разряжается. У него осталось значительное количество полезных циклов, просто при меньшей мощности. Есть несколько факторов, влияющих на срок службы Li-ion. Некоторые из них являются физическими и встроены в ячейки во время производства, поэтому их нельзя изменить. Не все элементы созданы одинаковыми, и мы очень много работали, чтобы найти на рынке лучшие элементы, предлагающие исключительное сочетание срока службы и плотности энергии от ведущего японского производителя. Другие факторы, влияющие на срок службы, связаны с тем, как используется ячейка. В частности:

    1. Избегайте очень высоких и очень низких состояний заряда. Напряжения более 4,15 В на элемент (около 95 процентов заряда [SOC]) и напряжения ниже 3,00 В на элемент (около 2 процентов SOC) вызывают большую нагрузку на внутреннюю часть элемента (как физическую, так и электрическую).

       

    2. Избегайте очень высоких ставок заряда. Зарядка быстрее, чем C/2 (двухчасовая зарядка), может сократить срок службы элемента.

       

    3. Избегайте зарядки при температуре ниже 0° C. (Наша конструкция нагревает аккумулятор перед зарядкой при низких температурах.)

       

    4. Избегайте очень высоких скоростей разряда. (Наша батарея спроектирована таким образом, что даже при максимальной скорости разряда ток, требуемый от каждого элемента, не является чрезмерным.)

       

    6 831 таких маленьких элементов питают один аккумулятор

    Мы все были обучены раздражающими никель-кадмиевыми (NiCad) батареями (старые батареи, которые раньше были популярны в сотовых телефонах и портативных компьютерах) полностью разряжать их перед повторной зарядкой. Эти аккумуляторы страдали быстрой деградацией емкости — так называемым эффектом памяти — если этого не делать. Хорошая новость заключается в том, что у литий-ионных аккумуляторов нет такой проблемы. Существует огромная разница в сроке службы между зарядом 4,2 В на элемент (определяется производителями как «полностью заряженный») и зарядом 4,15 В на элемент. 4,15 вольт соответствует заряду около 95 процентов. При таком уменьшении начальной емкости (5 процентов) батареи служат намного дольше. К сожалению, дальнейшее снижение заряда оказывает гораздо меньшее влияние на срок службы. Понимая этот компромисс, Tesla Motors решила ограничить максимальный заряд своих элементов до 4,15 вольт, приняв первоначальный 5-процентный диапазон, чтобы максимально увеличить срок службы батареи. Мы также ограничиваем разряд нашего аккумуляторного блока до 3,0 В на элемент и выключим автомобиль, когда аккумуляторы достигнут этого уровня. Ограничение скорости зарядки — это не компромисс, поскольку размер проводов и наличие розеток с очень высоким током ограничивают нас гораздо больше, чем батареи. Calendar Life Литий-ионные аккумуляторы со временем теряют емкость, даже если они просто лежат на полке. Они теряют наиболее рано в своей жизни (первый год), а затем продолжают постепенно терять способность. Два фактора значительно сокращают календарный срок службы: средняя температура за весь срок службы и время, проведенное при высоких уровнях заряда. Батареи прослужили бы дольше всего, если бы их хранили в холодильнике при очень низком уровне заряда. Быстрее всего они стареют, когда хранятся в горячем месте при полном заряде — например, в вашем ноутбуке, подключенном к зарядному устройству и готовящемся поджаренным процессором Pentium. В Tesla Motors одним из наших ключевых изобретений для увеличения срока службы аккумуляторов является сложная система жидкостного охлаждения, которая поддерживает благоприятную температуру для аккумуляторов даже в экстремальных условиях окружающей среды. Наша система охлаждения старается постоянно поддерживать температуру элементов на уровне ниже 35° C, а среднюю температуру в течение всего срока службы — на уровне 25° C или ниже.

    Аккумулятор поднимается

    Другим важным фактором, влияющим на календарное старение, является состояние заряда батареи во время хранения. При более высоких состояниях заряда ячейки быстрее теряют емкость. Это вторая причина, по которой мы ограничили максимальный уровень заряда до 4,15 В на элемент вместо 4,2 В на элемент. Мы также предлагаем водителю возможность зарядки только до 3,8 В на элемент (~ 50 процентов) или 4,10 В на элемент (~ 90 процентов), чтобы еще больше продлить календарный срок службы, если в следующих нескольких поездках не требуется полный запас хода автомобиля. Мы советуем и поощряем полную зарядку (4,15 В/элемент) только тогда, когда это необходимо. Так что же все это означает для реальных характеристик автомобиля? Как и аккумуляторы любого поколения электромобилей, они теряют емкость, и транспортное средство теряет запас хода. Это неизбежно и справедливо для любого электромобиля с аккумулятором любого типа. Вы можете думать об этом как об очень медленном уменьшении объема «бензобака» вашего автомобиля в течение его срока службы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.