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, |
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.
