Аккумуляторы: энергия движения вперед

Опубликовано: 12 мая 2015 г. в 13:30, 304 просмотраКомментировать

Современное развитие технологий тесно связано с совершенствованием аккумуляторов. Будь то электромобили, новые портативные устройства или, что известно в основном специалистам, системы бесперебойного питания. В то же время, наблюдается один любопытный парадокс: электромобили ставят новые рекорды, меняются стандарты мобильной связи, а мы по-прежнему, как и 15 лет тому назад, пользуемся свинцово-кислотными, никель-кадмиевыми, никель-металгидридными и литий-ионными аккумуляторами. Тем не менее, разработаны новые типы аккумуляторов, которые в ближайшее время придут на смену привычным. Некоторые из них уже серийно производятся.

Основной проблемой при эксплуатации аккумуляторов является неполная обратимость химических процессов, в результате которых в устройстве накапливаются побочные продукты. В результате, имеет место так называемый «эффект памяти», когда при неполной разрядке аккумулятора емкость последующего заряда снижается. Особенно этому подвержены никель-кадмиевые аккумуляторы. «Эффект памяти» присутствует, пусть и в меньшей степени, в никель-металл-гидридных, а также, как показывают современные исследования, и в литий-ионных аккумуляторах. Вот почему для применений, где аккумулятор регулярно подзаряжается, не полностью разряжаясь перед этим (альтернативная энергетика, источники бесперебойного питания), до сих пор используются свинцово-кислотные аккумуляторы.

Другой проблемой, почему свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя так просто заменить на никель-металгидридные или литий-ионные, является напряжение одного элемента. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные аккумуляторы дают напряжение 1,2 В, для получения напряжения 12 В, которое нужно для огромного количества применений, требуется 10 элементов. В итоге батарея получается громоздкая и ненадежная. Литий-ионный аккумулятор дает напряжение 3,6 В, если соединить последовательно 3 элемента, то получится 10,8 В, а если 4, то 14,4 В. И то, и другое напряжение далеко от требуемых 12 В.

Никель-натрий-хлоридные

Современной заменой свинцово-кислотных могут стать никель-натрий-хлоридные (никель-солевые) аккумуляторы. Опытные образцы данного типа аккумуляторов были созданы еще в 60-х годах XX века, но серийное производство было начато только в 1998 году. В этих аккумуляторах катод выполнен из металлического натрия, электролитом является расплавленный хлорид натрия (то есть поваренная соль), анодом — проволока из никеля. Электролит находится в керамическом стакане-сепараторе из корунда (Бета-глинозем). При заряде хлорид натрия вступает в реакцию с никелем, образуя хлорид-никеля, в результате высвобождается два иона натрия. Проходя через керамический сепаратор, ионы натрия аккумулируются на внешней его стенке.

При разряде аккумулятора электроэнергия вырабатывается за счет восстановления хлорида натрия и никеля. В процессе заряда и разряда не образуются какие-либо побочные продукты, эти процессы полностью обратимы. Никель-натрий-хлоридные аккумуляторы имеют ЭДС около 2,6 В. Соединив последовательно 5 элементов, можно получить батарею напряжением 13 В, что всего лишь на 3% превосходит номинальное напряжение вмнцово-кислотного аккумулятора без нагрузки (12,6 В). Это значительно упрощает процесс переходы на новые аккумуляторы.

Недостатком никель-натрий-хлоридных аккумуляторов является то, что для нормальной работы внутри их должна поддерживаться высокая температура (около +250°С). Причем количество циклов нагрева-охлаждения ограничено. Типичный никель-солевой аккумулятор на момент написания статьи выдерживал всего 50 циклов нагрева-охлаждения. Из- за этого применение аккумуляторов данного типа возможно лишь в установках, регулярно получающих электроэнергию, что позволяет постоянно поддерживать высокую температуру. Это могут быть системы аккумулирования электроэнергии на солнечных электростанциях или же системы бесперебойного электропитания промышленного масштаба.

Собственная удельная энергоемкость никель-натрий-хлоридных аккумуляторов составляет 140 Вч/кг. Но из-за необходимости термоизоляции аккумуляторной батареи, а также размещение непосредственно в ней некоторых электронных управляющих узлов реальная энергоемкость данного типа аккумуляторов составляет 90 Втч/кг. Но это все равно в 3 раза выше, чем у свинцовокислотных аккумуляторов. Количество циклов заряда-разряда при уменьшении емкости на уровне не менее 80%, достигает 3000. Если предположить, что аккумулятор установлен на солнечной электростанции, накапливая энергию днем и отдавая ее в сеть ночью, то он проработает более 8 лет. Для сравнения, емкость литий-ионного аккумулятора уменьшается до 80% от первоначального значения примерно за 600 циклов заряда-разряда.

Серно-натриевые

В аккумуляторах этого типа анод выполнен из натрия, электролитом является алюминат натрия, катодом — элементарная сера в смеси с графитом. Этот тип аккумуляторов был изобретен еще в начале 70-х годов XX века. Большой вклад в разработку серно-натриевых аккумуляторов внесли советские ученые, наряду с исследователями из Великобритании и Франции. В серно-натриевых аккумуляторах электроэнергия вырабатывается за счет взаимодействия натрия с серой, в результате чего образуется полисульфид натрия. При зарядке происходит реакция восстановления натрия.

Существует несколько вариантов конструкции серно-натриевых аккумуляторов. Общей проблемой, не решенной полностью до сих пор, является разрушение электролита при попадании в его поры жидкого натрия. В настоящее время ведутся работы по уменьшению размера пор в твердом электролите, что, как ожидается, позволить снизить данный негативный эффект.

ЭДС одного элемента серно-натриевого аккумулятора равно 2,1 В, то есть точно такое же, как и у свинцово-кислотного аккумулятора. Главное преимущество серно-натриевых аккумуляторов заключается в исключительно высокой удельной емкости. У реальных образцов этот показатель достигает 350 Втч/кг, что выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Теоретический же предел составляет 795 Втч/кг. Поэтому серно-натриевые аккумуляторы считают перспективным источником тока для электромобилей.

В то же время, серно-натриевым аккумуляторам свойственен тот же недостаток, что и никель-соляным: необходимость в поддержании высокой температуры. Причем ситуация с этим у серно-натриевых аккумуляторов еще хуже — требуется температура не менее 300°С. Здесь уже всерьез встают вопросы пожарной безопасности. Поэтому серно-натриевые аккумуляторы пока не нашли широкого применения и выпускаются лишь небольшими партиями. Для источников бесперебойного питания и альтернативной энергетики удельная емкость не так важна, как пожарная безопасность, для электромобилей же серно-натриевые аккумуляторы недостаточно доработаны. Сернонатриевые аккумуляторы выпускаются пока только небольшими партиями и их использование до сих пор носит экспериментальных характер.

Литий-железо-фосфатные

Данный тип аккумулятора является, на самом деле, разновидностью литий-ионного и работает на аналогичном принципе. Отличие заключается в катоде из LiFeP04 вместо кобальтата лития или литиево-марганцевой шпинели в традиционных литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, замена материала катода привела к настолько существенному изменению параметров, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы часто рассматривают как отдельную категорию источников питания. Замена электродов позволила активизировать литиево-ионный обмен между электродами, что и стало причиной значительного улучшения характеристик.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы были изобретены в 1996 г. Массовое производство таких аккумуляторов было развернуто в 2008 г.

По сравнению с литий-ионными, да и другими аккумуляторами, литий-железо-фосфатные обладают практически рекордной долговечностью. Известны аккумуляторы этой системы, допускающие 7000 циклов заряда-разряда при снижении емкости до 80% от первоначального значения. Также, в отличие от обычных литий-ионных, данные аккумуляторы очень медленно деградируют при хранении, что позволяет хранить их до 15 лет. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно зарядить примерно за 15 минут, что обусловило их применение в электромобилях. Этому даже не помешало то обстоятельство, что удельная емкость их ниже, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов — около 100 Втч/кг (у обычных литий-ионных аккумуляторов она может достигать 240 Втч/кг). В силу данной причины, литий-железо-фосфатные аккумуляторы пока не получила распространения для питания портативных устройств.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы дают напряжение 3,2 В. Соединив 4 элемента последовательно, получаем напряжение батареи 12,8 В, что обеспечивает совместимость с уже существующей аппаратурой, питающейся от свинцово-кислотных аккумуляторов. Интересной особенностью является то обстоятельство, что большую часть времени работы аккумулятор поддерживает на выводах стабильное напряжение 3,2 В. В ряде случаев это позволяет обойтись без дополнительных стабилизаторов напряжения, усложняющих конструкцию и снижающих КПД устройства.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут в перспективе найти свое применение в альтернативной энергетике и источниках бесперебойного питания.

Перспективные типы аккумуляторов

Тип аккумулятора

Никель-натрий-хлоридный

Серно-натриевый

Литий-железо- фосфатный

Литий-серный

Напряжение одного элемента, В 2,6 2,1 3,2 2,1
Достигнутое значение удельной емкости, Втч/кг 90 350 100 400
Максимальное количество циклов заряд-разряд 3000 Н/д 7000 100 (лабораторный образец - 1500)
Преимущества Полное отсутствие «эффекта памяти» Высокая удельная емкость Большое количество циклов заряд-разряд, быстрая зарядка Высокая удельная емкость, высокая безопасность
Недостатки Необходимость поддержания высокой температуры, относительно низкая удельная емкость Необходимость поддержания высокой температуры Относительно низкая удельная емкость Малое количество циклов заряд-разряд
Применения Альтернативная энергетика, ИБП Альтернативная энергетика, ИБП, транспортные средства Альтернативная энергетика, ИБП, транспортные средства Транспортные средства, мобильные устройства
Статус производства на начало 2015 г. Серийно производятся Экспериментальные прототипы Серийно производятся Опытные партии
Какие типы аккумуляторов может заменить Свинцово-кислотные Свинцово-кислотные, литий-ионные Литий-ионные, свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металгидридные Литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-металгид ридные

Литий-серные

Перспективный тип аккумуляторов, создан в 2004 году. Является дальнейшим развитием идей, заложенных в литий-ионных аккумуляторах. Опять-таки, параметры повышаются за счет применения другой конструкции катода. В литий-серных аккумуляторах он представляет собой жидкость, содержащую серу, что позволило увеличить максимальную плотность тока. При зарядке сера и литий превращаются в сульфид лития, при разрядке происходит обратный процесс разложения сульфата на серу и литий. Литий-серные аккумуляторы дают напряжение около 2,1 В, такое же, как у свинцово-кислотных аккумуляторов.

Существующие образцы литий-серных аккумуляторов имеют удельную емкость до 400 Втч/кг, теоретически же удельная емкость таких аккумуляторов может достигать 2600 Втч/кг. Аккумулятор полностью безопасен, вероятность взрыва или возгорания при эксплуатации практически отсутствует. Благодаря этому аккумулятор можно сделать очень простым и легким по конструкции благодаря отсутствию систем защиты. Неудивительно, что именно литий-серные аккумуляторы используются в экспериментальных самолетах с питанием от солнечных батарей.

Основная проблема массового применения литий-серных аккумуляторов связана с тем, что при зарядке-разрядке объем электродов изменяется на 76%. Это приводит к механическим деформациям в аккумуляторе, из-за чего количество циклов заряда-разряда не превышает 100. Для экспериментальных полетов это вполне нормально, но, скажем, для электромобиля является непозволительной роскошью. Кроме этого, в одной партии литий-серных аккумуляторов наблюдается большой разброс емкостей.

В 2013 году был создан экспериментальный прототип литий-серного аккумулятора с катодом из композитного материала, включающего в себя графен и серу. Благодаря этому удалось увеличить количество циклов заряд-разряд до 1500. Но пока технология недостаточно проработана, чтобы такие аккумуляторы выпускались серийно.

Вывод

Наиболее вероятными кандидатами на замену традиционных типов аккумуляторов сейчас могут считаться литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Они могут применяться в таких сферах, как альтернативная энергетика, источники бесперебойного питания, транспортные средства. Никель-натрий-хлоридные аккумуляторы в ближайшее время останутся «нишевым» решением для крупных солнечныхмэлектростанций, а также для обеспечения бесперебойного питаниямобъектов с большим энергопотреблением. Литий-серные аккумуляторы перспективны для транспортных средств, так и для мобильных устройств. Но для их широкого использования потребуется увеличить количество циклов заряд-разряд и уменьшить разброс параметров при серийном производстве.

Алексей ВАСИЛЬЕВ

Мнение Эксперта

Антон ЖУКОВ,
системный инженер
подразделения IT
Business компании
Schneider Electric

Какие типы аккумуляторов наиболее часто используются сейчас в источниках бесперебойного питания (ИБП)?
Согласно международным стандартам, в ЦОДах необходимо поддерживать параметры окружающей среды в допустимых пределах (это температурный режим, влажность, вентиляция, освещенность и др.), поэтому климатические условия в помещениях заранее определены. Время необходимой энергетической поддержки — от 10-15 минут до часа (обычно этого достаточно). В большинстве случаев под батарейные массивы не выделяют отдельные помещения, и это приводит к определенным требованиям в части безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды в целом. Также необходимо использовать наиболее дешевые батареи.
Из широко используемых с ИБП типов батарей (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные, никель-металл-гидридные) для описанных выше требований подходят именно герметичные свинцово-кислотные батареи с регулируемыми клапанами (VRLA), выполненные с гелевыми ячейками или, в отдельных случаях, — по технологии AGM.
Однако, в отдельных случаях, когда объекты имеют маленькие помещения, «плохую» питающую сеть, большие температурные перепады или, скажем, трудную географическую доступность, целесообразнее рассматривать другие варианты батарей.
Что в перспективе будет использоваться вместо свинцово-кислотных аккумуляторов в ИБП?
В настоящее время основной акцент делается на литий-ионные батареи, т.к. в сравнении со свинцово-кислотными эти батареи быстрее заряжаются, обладают большей емкостью, нормально функционируют в широких температурных диапазонах.
Какие новые типы аккумуляторов вы считаете наиболее перспективными для использования в ИБП в более отдаленном будущем?
Особое место в батарейной отрасли в современном мире занимают батареи на основе натрия — натрий-никель-хлоридные, натрий-серные, — работающие в широком температурном диапазоне и выдерживающие до 1500 циклов перезарядки; литий-полимерные батареи, за счет своей легкости, используемые в мобильных портативных устройствах и в быстро наращиваемых батарейных массивах. Эти три типа батарей, по моему мнению, в скором будущем, возможно, будут адаптировать под нужды мобильных контейнерных решений. Разумеется, только когда технология их изготовления по своей цене станет более конкурентной в сравнении, хотя бы, с литий-ионными.

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.