Метка «аккумулятор»

2 октября

Литий-полимерные аккумуляторы

Работа по замене жидкого органического электролита в литий-ионных аккумуляторах на полимерныйвелась давно. Такая замена исключает утечки электролита и повышает безопасность работы. В основе идеи литий-полимерного аккумулятора (Li-pol) лежит явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в результате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров при этом увеличивается более чем на порядок. К настоящему времени разработаны и серийно изготавливаются литиевые источники тока с электролитами, которые могут быть подразделены на три группы: сухие полимерные электролитыгель-полимерные электролиты, которые образуются при внедрении в полимер пластификатора-растворителя; неводные растворы солей Li, сорбированные в микропористой полимерной матрице.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.

С гель-полимерным электролитом разрабатывают аккумуляторы и литий-ионные, и с металлическим анодом. Какая же разница между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторными батареями с гелиевым электролитом? Хотя их характеристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепараторов используется твердый электролит. Добавленный в них гелиевый электролит предназначен просто для улучшения ионообменных процессов и, таким образом, для понижения внутреннего сопротивления.

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Но благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны в использовании. При всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Li-pol аккумуляторы компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Их контейнер может быть выполнен из металлизированного полимера. К недостаткам можно отнести меньшие рабочие плотности тока и ухудшение электрических характеристик при понижении температуры из-за кристаллизации полимера.

5 сентября

Литий-ионные аккумуляторы

Конструкция и применяемые материалы

Основой для отрицательного электрода в Li-ion аккумуляторах служит углеродная матрица. Она может изготавливаться из природного или синтетического графита, кокса, пиролизного или мезофазного углерода, сажи и др. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

Конструктивно Li-ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и плоском вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Плоские аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают более плотную упаковку в батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше типов конструкций.

Разноименные электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция Li-ion отличается абсолютной герметичностью. Это необходимо для предотвращения вытекания жидкого электролита и попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролитом и полностью выводят аккумулятор из строя.

Преимущества и недостатки

Li-ion аккумуляторы обладают рядом неоспоримых достоинств: повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность. Литиевые батареи принимают высокий ток зарядки и разрядки. Поэтому зарядка займет меньше времени, пройдет более эффективно (это полезно при рекуперации энергии во время торможения).

Однако при этом нельзя допускать перегрева: чем выше ток, тем сильнее нагрев. И вопрос не только в сокращении срока службы аккумуляторов, но и в риске возникновения пожара, так как у лития низкая устойчивость к возгоранию. Поэтому еще на стадии производства строго следят за технологией: мельчайшая примесь в сепараторе ячеек может способствовать возникновению внутренних замыканий, которые в состоянии нагреть литий до температуры возгорания. Под крышкой аккумулятора устанавливается устройство, реагирующее на повышение температуры увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. В ходе эксплуатации за безопасностью следит специальная электроника, контролирующая температуру в каждой ячейке, температуру модуля, в котором они собраны, и температуру пакета аккумуляторов. Необходима и эффективная охлаждающая система.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет всего лишь 4-6 % за первый месяц, затем — еще меньше: за год аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в зависимости от температуры в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Ресурс-500-1000 циклов.

Применение в гибридах и электромобилях

При создании гибридов и электромобилей разработчики все чаще применяют литий-ионные батареи. Во-первых, это связано с их лучшим весовым качеством (отношением запасенной энергии к массе). Современные батареи, применяемые на автомобилях, способны вмещать 0,8-2,6 кВт*ч на килограмм собственного веса. Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40% до 60%, то есть всего 20% общей емкости, то для литий-ионного она в 2,5 раза больше: от 25% до 75%. Срок их службы больше. Например, гарантия на литий-ионную батарею французской фирмы SAFT составляет 10 лет, а на никель-металлгидридную производства Panasonic – только 8 лет. Есть у литий-ионных батарей и существенные недостатки. Во-первых, невозможность реанимировать полностью разряженный аккумулятор. Во-вторых, для работы им нужно обеспечить узкий температурный диапазон от 25 до 45 градусов. Если их не согревать зимой, емкость упадет на треть при -10, и наполовину при -20 градусов. Летом еще опаснее: при 55-60 градусах аккумуляторы начинают разрушаться – их приходится охлаждать даже при стоянке на солнцепеке. Высока и себестоимость, которая может достигать до половины цены всего электромобиля. Однако будущее все равно за литий-ионными батареями.

14 августа

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Никель-металлгидридные аккумуляторы пришли на смену никель-кадмиевым и никель-водородным батареям. В Ni-MH аккумуляторах положительный электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, изготавливается из оксидно-никелевого сплава, а отрицательный — из сплава никеля с редкоземельными металлами, поглощающий водород. Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является именно водород-абсорбирующий сплав, который может поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий свой собственный объем. Эти сплавы состоят из двух или нескольких металлов, один из которых абсорбирует водород, а другой является катализатором, способствующим диффузии атомов водорода в решетку металла. Количество возможных комбинаций применяемых металлов практически не ограничено, что дает возможность оптимизировать свойства сплава. Применение этих материалов для изготовления отрицательного электрода позволило повысить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора. Поэтому никель-металлгидридные аккумуляторные батареи отличает высокая энергетическая плотностьпо сравнению с предшественниками. Так как при их производстве используются нетоксичные материалы, то легче решается и проблема утилизации отработанных аккумуляторов. У Ni-MH аккумуляторов, в отличие от Ni-Cd, нет "эффекта памяти".

Технические характеристики

Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы Ni-MH аккумулятора в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка понижается с увеличением глубины и скорости разряда и зависит от скорости заряда. Ускоренный (за 4 — 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. В зависимости от типа, режима работы и условий эксплуатации аккумуляторы обеспечивают от 500 до 1000 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы от 3 до 5 лет. С повышением нагрузки(уменьшение времени разряда) и при понижении температуры емкость Ni-MH аккумулятора уменьшается. Особенно заметно действие снижения температуры на емкость при больших скоростях разряда.

Условия эксплуатации и хранения

При хранении происходит саморазряд Ni-MH аккумулятора. За месяц при комнатной температуре потеря емкости составляет 20-30%, а при дальнейшем хранении потери уменьшаются до 3-7% в месяц. Скорость саморазряда повышается при увеличении температуры. Ni-MH аккумуляторы чувствительны к перезаряду. В течение заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется теплота, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термопредохранители или термореле. Ni-MH аккумуляторы имеют сравнительно узкий температурный диапазон эксплуатации: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 градусов и выше +40 градусов.

Применение в гибридных автомобилях

В гибридных автомобилях применяются Ni-MH аккумуляторыпрямоугольной конструкции. В них положительные и отрицательные электроды размещены поочередно, а между ними размещается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. В Ni-MH аккумуляторах используется щелочной электролит, состоящий из КОН с добавкой LiOH. Хотя большинство специалистов уверены, что будущее за литий-ионными батареями, на многих гибридных автомобилях используются никель-металлгидридные аккумуляторы. Они существенно дешевле, а их производство технологически отработано. Проигрывают же они в весовом качестве (отношении запасенной энергии к массе) и диапазоне зарядки (от 40 до 60%) — всего 20% общей емкости.