Складные бумажные литий-ионные аккумуляторы увеличивают плотность энергии в 14 раз

Почему стоит переплатить за литиевый аккумулятор

Перед теми, кто задумался о сборке электровелосипеда своими руками, довольно часто встаёт вопрос выбора типа аккумулятора. И первое, что приходит в голову — использовать свинцово-кислотный аккумулятор. Причины такого выбора на первый взгляд очевидны — низкая стоимость и простота конструкции (не требуется плата управления BMS).

Однако есть весомые аргументы, которые могут побудить вас отказаться от использования свинцового аккумулятора в пользу литий-ионного. Давайте разберём их по порядку.

1. Разница в весе

Не секрет, что свинцовые аккумуляторы весят больше литий-ионных, но часто этому не придают значения, ставя в приоритет преимущество в цене. Тем не менее, для электровелосипеда низкий вес может оказаться важнее цены, так как его вы будете поднимать и спускать по лестнице (возможно даже каждый день), а иногда загружать в автомобиль для транспортировки.

Кроме того, дополнительный вес не лучшим образом сказывается на динамике разгона и торможения. Больше вес — выше инерционность — значительнее износ тормозных колодок. Также применение тяжёлых свинцовых аккумуляторов увеличивает нагрузку на раму и систему подвески велосипеда.

Рассмотрим, к примеру, аккумулятор на 36 В ёмкостью 7-7,5 Ач. Свинцово-кислотное исполнение представляет собой три последовательно соединённых аккумулятора по 12 В 7Ач, а литий-ионный вариант — 30 ячеек типоразмера 18650 по 2500 мАч и плата BMS, весом около 100 грамм.

2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг

3S1P (3 элемента)

10S3P (30 элементов)

Вес готовой батареи

Из таблицы видно, что вес свинцового аккумулятора превосходит вес литий-ионного более чем в 4 раза, и эта разница будет влиять на эксплуатационные характеристики велосипеда, в том числе на запас хода на одном заряде.

Стоит также учесть, что в случае, если вы забыли зарядить батарею перед поездкой, возвращаться на педалях со свинцом на борту будет гораздо тяжелее.

2. Плотность энергии

Литий-ионные аккумуляторы по плотности энергии превосходят свинцовые в несколько раз. В нашем случае свинцово-кислотный аккумулятор имеет абсолютную ёмкость 252 Втч (7 Ач * 36 В) при весе 6,9 кг. То есть плотность энергии составляет 36,5 Втч/кг.

В то же время, литий-ионный аккумулятор при абсолютной ёмкости 270 Втч (7,5 Ач * 36 В) весит 1,6 кг, то есть его плотность энергии составляет 168 Втч/кг, что превосходит значение свинцового аккумулятора более чем в 4 раза.

3. Срок службы и ТО

При эксплуатации аккумулятора его ёмкость постепенно снижается, и скорость этого снижения зависит сразу от нескольких факторов, среди которых глубина разряда, температура эксплуатации и другие.

Срок службы аккумулятора, при соблюдении правил его хранения и эксплуатации, определяется количеством циклов заряда-разряда. Для свинцово-кислотных батарей эта характеристика находится в диапазоне от 200 до 1000 циклов, у литий-ионных аккумуляторов — в диапазоне от 1000 до 4000 циклов.

Кроме этого, свинцовые батареи имеют более высоких саморазряд, и требуют периодического обслуживания — подзарядки и корректировки плотности электролита. Литий-ионные батареи практически не требуют обслуживания, так как функцию балансировки, то есть выравнивания напряжений на ячейках, выполняет плата управления батареей (BMS, Battery Management System).

4. Эффективность (КПД)

Коэффициент полезного действия свинцовых аккумуляторов при правильной эксплуатации составляет около 80-90%. Другими словами, если на зарядку батареи потрачено 100 Вт энергии, то на разряде она отдаст только 80-90 Вт.

У литий-ионных батарей этот параметр достигает 95-97%, то есть практически вся энергия, затраченная при заряде, будет возвращена при подключении нагрузки.

5. Ток заряда и время полной зарядки

Оптимальным током заряда для свинцовых аккумуляторов считается ток, равный 10% от ёмкости аккумулятора в ампер-часах (0,1С), то есть в рассмотренном выше случае при ёмкости 7 Ач оптимальный зарядный ток составит 0,7 А. При быстрой зарядке допускается ток 0,2С (в нашем случае 1,4 А). В обоих случаях ближе к концу процесса зарядки этот ток должен быть уменьшен.

Для литий-ионных аккумуляторов ток заряда лежит в пределах от 0,2С до 1С (при быстрой зарядке), то есть при ёмкости аккумулятора 7 Ач он составит от 1,4 А до 7 А. Заряд осуществляется сначала постоянным током, а затем, при достижении верхнего напряжения, ток постепенно снижается.

В большинстве случаев на полную зарядку свинцового аккумулятора требуется 8-16 часов времени, на зарядку литий-ионного — всего 2-4 часа. Это преимущество по времени позволяет существенно подзарядить литий-ионную батарею даже во время остановки в кафе на обед, если вы отправились в дальнее путешествие.

6. Влияние высоких температур

При эксплуатации в условиях высоких температур происходит быстрая деградация аккумулятора. Но что подразумевается под понятием высокой температуры и откуда она берётся?

При подключении к аккумулятору нагрузки, например, в виде электродвигателя велосипеда, через него начинает протекать ток. Каждый аккумулятор имеет своё внутреннее сопротивление. Соответственно, протекание тока приводит к постепенному нагреву аккумулятора — конечно, в зависимости от силы тока. Чем мощнее нагрузка (выше ток), тем быстрее происходит нагрев.

Если нагрузка слишком высокая для данного аккумулятора, он довольно быстро нагревается, и начинается процесс его ускоренной деградации. Результатом этого процесса является существенное снижение ёмкости аккумулятора, и как следствие, необходимость его последующей замены.

Для свинцового аккумулятора деградация начинается при превышении температуры 25 градусов, для литий-ионного — при превышении 45 градусов по Цельсию.

Заключение

Давайте подведём итог всему вышесказанному. Если вы уже приняли решение использовать свинцово-кислотный аккумулятор на электровелосипеде, используйте. Но если всё-таки аргументы, приведённые в данной статье, вас переубедили, и склонили к приобретению литий-ионного аккумулятора, вы определённо останетесь довольны его значительно меньшим весом, компактными габаритами, отсутствием потребности в обслуживании, более длительным сроком службы и скоростью зарядки.

Кстати, если сравнить разницу в денежном выражении, получим следующее. Три свинцовых аккумулятора обойдутся в сумму около 5 тысяч рублей. Сборка батареи заключается только в последовательном соединении этих аккумуляторов.

Литий-ионную батарею на 7,5 Ач 36 В лучше приобретать в собранном виде, и она обойдётся вам в сумму около 10 тысяч рублей (из Китая дешевле, но дольше, при сомнительном качестве и без гарантии). Это в 2 раза дороже свинцово-кислотного исполнения, но она обладает довольно существенными преимуществами.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы можно приобрести сразу с корпусом, предназначенным для установки на раму велосипеда, и с зарядным устройством в комплекте. Это позволит сократить время сборки, обеспечит надёжную работу батареи и безопасность при эксплуатации.

Если статья Вам понравилась, или даже оказалась полезной, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Впереди будет ещё больше интересного!

Плотность энергии

Почему аккумуляторы не резиновые?

Количество (плотность) энергии аккумулятора зависит от типа электрохимической схемы и является определяющим фактором технологического прогресса.

Благодаря аккумуляторам мобильные устройства отвязались от розетки, но далеко отползти пока не удаётся. Аккумулятора хватает на 1 день автономной работы смартфона, несколько часов ноутбука и полчаса квадрокоптера. Электромобиль может проехать до 400 километров, но его аккумулятор весит половину этого автомобиля и стоит тоже половину. Причина одна: плотность энергии современных аккумуляторов слишком маленькая.

Количество энергии (Wh), которое может запасти аккумулятор в удельном весе (кг) или удельном объеме (m 3 ) в первую очередь зависит от типа электрохимической схемы аккумулятора. На заре мобильной эры использовались никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Плотность энергии была низкой (50-100 Wh/kg), а мобильные устройства громоздкими и тяжелыми. Переход на литиевые аккумуляторы позволил значительно увеличить плотность энергии. Сейчас наибольшей плотностью энергии обладают литий-полимерные аккумуляторы (250 Wh/kg).

Несмотря на то, что за последние 10 лет плотность энергии увеличилась в 2 раза, мобильные устройства по-прежнему представляют собой большой аккумулятор с маленькой платой и экраном. Более того, производители мобильных устройств с целью уменьшения размера устройства уменьшили относительный размер аккумуляторов, в результате современным смартфонам одного заряда стало с трудом хватать на день. Чтобы обеспечить автономную работу смартфона или ноутбука в течение недели необходимо повысить плотность энергии в 10 раз.

Простые способы исчерпаны

Также невозможно бесконечно увеличивать площадь электродов путем уменьшения их толщины. Алюминиевая и медная фольга толщиной 50-100 мкм может быть заменена на более тонкую, но это грозит повреждением при изготовлении и коррозией при эксплуатации. Таким образом, простые способы повышения плотности энергии практически исчерпаны.

Читайте также  Детектор обрыва скрытой проводки

Технологическая революция

Национальная безопасность

Еще одним важным фактором сдерживающим развитие аккумуляторов являются национальные интересы нефтепроизводящих стран: в первую очередь США и России. В настоящий момент развитие электромобилей является дотационным и поддерживается правительствами только из экологических соображений. Электромобили не представляют экономической угрозы для двигателей внутреннего сгорания, так как электроэнергия первоначально вырабатывается из нефтепродуктов на тепловых электростанциях. Изобретение мощных аккумуляторов даст зеленый свет развитию зеленых технологий, которые без должного аккумулирования энергии пока малоэффективны: солнце светит днем, ветер дует когда хочет, а не когда надо потребителям. Если же себестоимость выработки и хранения зеленой энергии станет дешевле черной, то развитие электромобилей и электросамолетов начнется естественным (бездотационным) путем, а энергетическим монополиям придется потесниться.

Часто задаваемые вопросы:

Что такое плотность энергии?

  • Количество энергии на единицу объёма.
  • Для батареи плотность энергии — это количество энергии (Wh), которое может запасти аккумулятор в удельном весе или удельном объеме.

Увеличится ли плотность энергии аккумулятора, если добавлять катодный материал?

  • Увеличив количество ионов лития, увеличивается количество заряда, а значит должна возрасти плотность энергии аккумулятора. В теории должно быть именно так.
  • Только на практике ионы с меньшей эффективностью вылетают с катода.
  • В итоге, увеличивается саморазряд, уменьшается ресурс и безопасность.

Аккумуляторы повышенной ёмкости — это миф или реальность?

  • Да, реальность, но в разумных пределах.
  • Нет, это маркетинговая уловка.

Ученые создали Li-ion батарею, которая работает даже в огне

В начале 1990-х годов, когда в местное пожарное отделение позвонили из компании Moli Energy, пожарные точно знали, куда ехать: на аккумуляторный склад компании. Ванкуверская фирма была первой, начавшей массовое производство литий-металлических аккумуляторов. Но такие батареи имели одну неприятную особенность — они взрывались, что в конечном итоге привело к потоку негативных отзывов, который и обанкротил компанию.

Прошло тридцать лет, и современные литий-ионные батареи стали куда компактнее при большей емкости, однако они все еще могут взрываться — думаю, печальную судьбу Samsung Galaxy Note7 помнят многие. Одним из виновников такого взрывного поведения является жидкий электролит — обычно легковоспламеняющийся органический растворитель, который облегчает потоку ионов путешествие между электродами батареи. И первое, что сделали ради повышения безопасности таких аккумуляторов еще с десяток лет назад, это заменили горючий жидкий электролит на твердый пористый материал.

Однако в реальности никогда все не бывает так просто. Твердотельные электролиты, в общем и целом, являются менее легковоспламеняющимися веществами, чем их жидкие аналоги, но все же они не полностью устойчивы к возгораниям. Правда, теперь это может измениться, благодаря новой технологии, разработанной командой ученых во главе с Йи Цуем, материаловедом из Стэнфордского университета.

В статье, опубликованной в журнале Nano Letters, команда описывает, как они создали новый «огнеупорный» твердотельный электролит для использования в литий-ионных батареях. «Мы решаем проблему воспламеняемости твердотельных электролитов, добавляя в них огнезащитный состав», — говорит Цзяю Ван, доктор наук в лаборатории Цу и соавтор этой статьи.

Общий принцип работы Li-ion аккумулятора.

Они использовали огнестойкий материал, называемый декабромдифенилоксид этана. Чтобы создать новый твердотельный электролит, команда сначала создала тонкую пленку, объединив декабромдифенилоксид этана с полиимидом, веществом, усиливающим механическую прочность. Использование полиимида дает много преимуществ, говорит Ван. Помимо того, что он «действительно механически прочен», он может похвастаться высокой температурой плавления (что снижает вероятность возникновения короткого замыкания), также его легко внедрить в существующие технологические процессы производства литий-ионных аккумуляторов, ну и под конец — он дешев.

Однако проблема в том, что полиимид — хороший диэлектрик, а электролит должен проводить ионы лития. Чтобы обойти это препятствие, Ван и его коллеги добавили в смесь два разных полимера, полиэтиленоксид и бистрифторметансульфонилимид лития (кто прочел декабромдифенилоксид с первого раза — для вас новый челлендж).

Выглядит бистрифторметансульфонилимид не лучше, чем читается.

«Это инновация — они умело использовали сополимеры, что является новым способом решения проблемы воспламеняющихся полимерных электролитных батарей», — говорит Чуншенг Вонг, исследователь, изучающий новые аккумуляторные технологии в Университете Мэриленда.

Твердотельные электролиты принимают две основные формы. Вы можете сделать их из керамики, материала, который хорошо проводит ионы, но невероятно хрупок, из-за чего приходится делать более толстые батареи, которые имеют меньшую плотность энергии. Второй путь — можно использовать электролиты, состоящие из полимеров, которые являются дешевыми, легкими и гибкими веществами. К тому же они «мягкие», что дает низкое сопротивление на границе раздела электрода и электролита — это позволяет электролиту легко проводить ионы.

Но у полимерных электролитов тоже есть проблемы. «Их мягкость означает, что они не способны подавлять распространение литиевого дендрита, поэтому они огнеопасны», — говорит Ван, имея в виду крошечные игольчатые выступы, которые растут из анода батареи. Дендриты могут возникать в литиевой батареи после большого числа циклов зарядки и разрядки; когда эти кристаллы лития проникают в сепаратор аккумулятора, они могут вызвать короткое замыкание и возгорание.


Процесс роста дендрита лития в аккумуляторе.

«Использование полиимида помогло нам решить проблему с недостаточной прочностью электролита, позволив добиться надежности на уровне батарей с керамическими электролитами при существенно меньшей толщине», — говорит Ван.

Механическая прочность, наряду с пониженной воспламеняемостью, являются лишь некоторыми причинами того, почему твердотельные электролиты Цу вызвали интерес у исследователей как в научных кругах, так и в промышленности. Еще одна немаловажная особенность твердотельных электролитов заключается в том, что они позволяют создавать штабеля аккумуляторов. «Поскольку такой электролит не течет, вы можете легко соединить несколько батарей без проводов. что крайне важно для увеличения плотности энергии», — говорит Ван.

Но идеального варианта все равно не существует. По словам Вана, у всех твердотельных электролитов на данный момент есть свои проблемы, требующие решения.

И команда Цу в Стэнфорде смогла на шаг приблизиться к созданию идеального литий-ионного аккумулятора. Мало того, что они создали новый ультратонкий твердотельный электролит (толщиной от 10 до 25 микрометров), их разработка также обеспечивает высокую удельную емкость аккумулятора (131 миллиампер-час на грамм, что в полтора раза больше, чем у современных Li-ion батарей) и демонстрирует неплохие показатели живучести (300 полных циклов перезаряда при 60 градусах Цельсия).

Важно отметить, что изготовленные в лаборатории прототипы батарей оказались работоспособными, даже если поместить их в огонь: на видео хорошо видно, что светодиод, питающийся от такого аккумулятора, продолжает гореть, даже если последний объят пламенем.

«Это было крайне удивительно для нас», — говорит Ван. «Обычно батареи просто взрывается в огне. Но в данном случае она не только не взрывается, но и продолжает функционировать».

На данный момент команда Цу продолжает искать новые материалы и конструкции для использования в твердотельных электролитах с целью повышения максимального тока и емкости аккумулятора. По словам Вана, теперь их задача состоит в том, чтобы зарядить такую батарею быстрее, иметь более высокую плотность энергии и большую долговечность.

Всё об аккумуляторах для электровелосипеда

Аккумуляторные батареи

Выбор аккумуляторной батареи: виды, ёмкость, мощность и другие параметры.

Аккумулятор является одним из ключевых компонентов, чьи характеристики определяют цену электровелосипеда, его эксплуатационные качества и потенциал. Определяясь с конкретной моделью велогибрида или набора для электрификации велосипеда, важно иметь полноценное представление о технической стороне вопроса. Батарея определяет запас хода на одном заряде и максимальную мощность, подаваемую на электромотор. Важным параметром для аккумулятора легкого электротранспорта является вес на единицу ёмкости. Кроме того, имеет значение ресурс батареи, время зарядки и особенности работы при пониженной температуре.

Купить аккумулятор для электровелосипеда

Часто задаваемые вопросы

На сколько хватает батареи?

Количество энергии, запасаемое батареей измеряется в ватт-часах. Данный показатель является основным для любого аккумулятора и говорит о теоретическом пробеге на одном заряде и максимальной выходной мощности. Один Ватт-час составляет 1/1000 кВт/ч, привычной единицы измерения потребленного электричества. Ёмкость батареи в Ватт-часах определяется произведением фактических Ампер-часов и номинального напряжения АКБ ( для батареи 36 В, 10 Ач значение составляет 360 Вт*ч).

Теоретический пробег на заряде определяется делением энергоёмкости на среднее энергопотребление, которое зависит от скорости передвижения. Потребление энергии на скорости 25 км/ч = 10 Вт*ч на км, соответственно батарея на 360 Вт*ч в теории обеспечивает пробег 36 км по прямой, на скорости 25 км/ч.

Читайте также  Как проштробить бетонную стену под проводку перфоратором?

Фактическая же дальность поездки зависит от многих параметров: вес пилота, скорость поездки, помощь педалями, частота ускорений, рельеф местности, наличие ветра и температура окружающей среды. Другими словами, при равномерном движении по ровной дороге с умеренной скоростью, крутя педали ( идеальные условия) Вы получите один результат, а при поездке по городу с частыми ускорениями, наличием горок и встречном ветре результат может быть совсем другим.

Для типичного серийного электровелосипеда с батареей 36 В, 10 Ач (360 Вт*ч) производители указывают дальность 40 км на одном заряде, что является адекватной оценкой при езде с помощью педаляей со скоростью 25 км/ч.

Как долго заряжается аккумулятор?

Время зарядки батареи зависит от параметров зарядного устройтва. Зарядное устройство мощностью 2 А зарядит батарею ёмкостью 10 А*ч за 6 часов. При этом батарея зарядится до 80% всего за 4 часа. Зарядка аккумулятора до 100% займёт ещё 2 часа, в связи с особенностью режима зарядки постоянным напряжением (CV ) с уменьшением силы тока. Батарею можно использовать, не дожидаясь стопроценоной зарядки. Если для Вас это слишком долго, время зарядки можно уменьшить, докупив более мощное зарядное устройство. Прежде, чем приобретать такое устройство, следует выяснить максимальный зарядный ток способна выдержать ваша батарея. Необходимо проконсультироваться с продавцом.

Как долго прослужит батарея?

Аккумуляторы со временем и в следствии износа теряют определенную часть ёмкости. Износостойкость определяют в количестве циклов заряд-разряд. Как правило, для бытовых литий-ионных аккумуляторов это значение составляет 1000 циклов или 3 года эксплуатации. Это примерно сопоставимо с батареей ноутбука или сотового телефона.

Для свинцовых батарей период составляет 300 циклов. Литий-железо-фосфатные и литий-полимерные аккумуляторы, разработанные для электромобилей, могут служить 2000-3000 циклов.

5 рекомендаций по эксплуатации литиевых аккумуляторов

Выполняя нескольких не сложных действий, можно продлить жизненный цикл вашей литий-ионной батареи.

1. Заряжайтесь регулярно. Возьмите себе за правило заряжать электротранспорт после каждой поездки. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует « эффект памяти», поэтому подзарядка батареи даже при уровне заряда 50-70% ей не навредит. Кроме того, при следующем использовании у вас будет 100% заряженный АКБ, что никогда не бывает лишним. Стоит также избегать регулярного глубокого разряда ниже 10-20% ёмкости.

2. Раз в 3 месяца полностью разряжайте АКБ. Специалисты рекомендуют полностью разряжать аккумулятор 4 раза в год, после чего заряжать его до 100% и оставлять на 8-12 часов на зарядке для балансировки.

3. Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для зимнего хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30-50% при температуре от 0 до 25°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость может снизится. Важно также избегать хранения в полностью разряженном состоянии, это может нанести батарее большой урон!

4. Заряжайте правильно. Не допустимо заряжать батарею при минусовой температуре. Если Вы катаетесь зимой, оставляйте байк прогреться перед зарядкой, температура аккумулятора должна быть выше 0°C. Используйте только совместимые зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов. Важно чтобы зарядное устройство соответствовало по напряжению и максимальному току зарядки Вашего АКБ. Среди владельнов Tesla также есть мнение, что заряд аккумулятора до 80% вместо 100% несколько продлевает срок его службы.

5. Не допускайте перегрева. Злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура. Поэтому не оставляйте технику в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей и старайтесь избегать парковки в жару под палящим солнцем. Максимальная температура, при которой допустимо использование литий-ионных аккумуляторов: +50-60°C.

Технические параметры

Напряжение ( вольты)

Современные аккумуляторные батареи состоят из литий-ионных ячеек, соединенных между собой. Каждая ячейка имеет номинальное напряжение 3,7 В. При этом в 100% заряженном состоянии напряжение составляет 4.2 В, а в разряженном от 2.5 до 3 В.

Справедливости ради, стоит упомянуть о свинцоко-кислотных батареях с номиналом 12 В ( дешевле, менее долговечно, сильно тяжелее) и литий-железо-фосфатных элементах с номиналом 3.2 В ( дороже, тяжелее, но долговечнее).

Двигатели, используемые в персональном электротранспорте, рассчитаны на рабочее напряжение 24, 36 или 48-вольт. Для получения соответствующего номинального напряжения, ячейки последовательно соединяют в батарею. Например, 48 В это 13 последовательных литий-ионных элементов (4 свинцовых или 15 lifepo4).

Ёмкость ( ампер-часы)

Аккумулятор, который отдаёт силу тока 1 ампер в течение часа, имеет емкость 1 ампер в час ( Ач, Ah). Большинство батарей электровелосипедов характеризуются емкостью порядка 10 Ач. Предположим, что потребляемая сила тока вашего электротранспорта в среднем 15 Ампер. При оснащении его батареей в 10Ah вы можете ожидать полный разряд АКБ в течение примерно 40 минут.

Размер и стоимость ячейки непосредственно соотносится с ее емкостью, выраженной в ампер-часах. То есть двукратное увеличение показателя ампер-часов будет означать увеличение в два раза размера, веса и стоимости батареи.

Мощность батареи ( ватты)

Еще один термин, с которым вы столкнетесь, это «C rate» или кратность разрядного тока к емкости аккумулятора (1 С, 2С). Мощность, которую способна отдать батарея, определяется умножением значения C на энергоёмкость, т.е. если у вас батарея 360 Вт*ч, 2С, то она способна выдавать мощность не более 720 Вт. Показатель С имеет разные значения для продолжительного и кратковременного тока разряда. Большинство литий-ионных батарей выдаёт 0.5-1С при продолжительном разряде и 2С при пиковой нагрузке. Специальные, высокомощные ячейки способны выдавать 3, 5 и даже 10С. Кроме того, на мощность влияет установленная в батарею BMS. Она может ограничивать максимальную мощность, чтобы не повредить батарею и продлить срок её службы. Батареи на серийных электровелосипедах как правило уже подобраны под установленный мотор.

Вес ( плотность энергии)

Данный показатель напрямую влияет на вес аккумулятора, т.е. насколько тяжелой будет аккумуляторная батарея определенной энергоёмкости. Плотность энергии выражается в соотношении емкости в Ватт-часах на килограмм веса АКБ. Для свинцово-кислотных батарей это значение составляет 20-40 Вт·ч/кг, Lifepo4 = 90-130 Вт·ч/кг, литий-полимер = 130-180 Вт·ч/кг, литий-ион = 180-250 Вт·ч/кг. Располагая этими значениями, вы можете легко прикинуть вес пакета ячеек без необходимости искать данные производителя.

Виды аккумуляторных батарей для электротранспорта

Свинцовые аккумуляторы — наиболее распространенный и дешевый вид батарей. Используются во всех автомобилях, мотоциклах и скутерах. Свинцовый аккумулятор имеет низкую плотность энергии 30-40 Вт⋅ч/кг ( батарея ёмкостью 1 кВт⋅ч будет весить около 30 кг) и непродолжительный срок служби при использовании как основного источника питания (300 циклов заряда). Коротковременно могут выдавать высокий ток, однако при продолжительном разряде под нагрузкой теряют ёмкость. Номинальное напряжение 12 В. Используются в самых дешевых версиях электровелосипедов и электроскутеров, а также в старых моделях электромобилей.

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4 ) батареи — это относительно новый вид аккумуляторов ( появился на рынке в 2004 году). Отличается продолжительным сроком служби (2000 -3000 циклов / 80%), стабильно высокими показателями токоотдачи, в том числе при пониженных температурах. Плотность энергии LiFePO4 батареи — 100-130 Вт⋅ч/кг ( батарея ёмкостью 1 кВт⋅ч будет весить 8-10 кг). Требуют особой системы балансировки и защиты ячеек (BMS ). Номинальное напряжение 3.2 В. В электровелосипедах применяются сравнительно редко из-за дорогивизны.

Литий-титанатные (LTO ) аккумуляторы сравнительно недавно появились на рынке. Для них характерны экстремально долгий срок службы (25000 -30000 циклов) и расширенный рабочий температурный диапазон. Имеют очень высокие показатели по токами заряда и разряда — LTO аккумулятор можно зарядить за 10 минут! Плотность энергии сравнительно небольшая — 80-100 Вт⋅ч/кг ( батарея ёмкостью 1 кВт⋅ч будет весить 10-12 кг). Номинальное напряжение 2.4 В. Требуют особой системы балансировки и защиты ячеек (BMS ). В электровелосипедах на данный момент не применяются.

Литий-полимерные (Li -po) и литий-ионные (Li -ion) аккумуляторы можно встретить где угодно: от электродрели до электромобиля. Они широко применяются в портативной электронике: телефонах, планшетах, ноутбуках, фотоаппаратах. Высокомощные литий-полимерные батареи используют на радиоуправляемых моделях ( машинки, вертолеты, коптеры), т.к. они способны выдавать очень большие токи. Литиевые аккумуляторы имеют довольно высокую плотность заряда — 160-240 Вт⋅ч/кг ( батарея ёмкостью 1 кВт⋅ч весит 4-6 кг) и приемлемую стоимость. Требуют особой системы балансировки и защиты ячеек (BMS ). Срок жизни: от 500 до 2000 циклов / 80%. Номинальное напряжение 3.7 В. На данный момент наиболее распространенный тип батарей в электротранспорте.

Аккумуляторы будущего — плотность хранения энергии в литий-ионных батареях увеличена в 10 раз

У американского стартапа, обещающего внедрить революционные «аккумуляторы будущего», есть два важных отличия от конкурентов. Во-первых, прозрачная технология, защищенная патентами. Во-вторых — опора на уже широко используемые материалы и процессы, пусть и из другой сферы.

Читайте также  Закрытая проводка в деревянном доме

Нынешние литий-ионные батареи, требующие долгой зарядки — самое слабое место электромобилей. Однако их дешевизна ставит крест на иных технологиях, по крайней мере в среднесрочной перспективе. Digital Trends рассказывает о стартапе XNRGI, который утверждает, что совершил невозможное: там разработали аккумуляторы будущего —безопасные, емкие и быстро впитывающие энергию литий-ионные батареи на базе уже широко используемых решений.

Сейчас литий-ионные аккумуляторы разного размера используются повсеместно — от смартфонов до электромобилей. Для их изготовления задействованы огромные мощности, и, тем не менее, эксперты советуют готовиться неминуемому дефициту при условии сохранения нынешних технологий.

XNRGI утверждает, что нашла выгодный для всех поход — и, в отличие от многих других компаний, там готовы рассказать о нем намного подробнее обычных ссылок на «прорывной техпроцесс» или «революционные материалы». Тем более что и процессы, и материалы компания использует вполне привычные — просто из другой сферы. А их применение для изготовления аккумуляторов защищено рядом патентов.

Основа прорывной батареи Powerchip — обычная кремниевая подложка с пористой структурой, которую десятки лет используют при изготовлении микросхем. Вернее — использовали некоторое время назад. Сейчас техпроцессы шагнули вперед, а вот слишком крупные и толстые для нынешней электроники подложки недавнего прошлого можно использовать для хранения энергии — очень эффективного и безопасного. Их буквально производят по всему миру.

XNRGI утверждает, что, «залив» 12-дюймовую подложку металлом, получает батарею на 1 кВт. Разумеется, это лишь начало истории.

Подложка, изоляционный и металлический слои — все это уже изготавливают для нужд электроники, подчеркивает глава компании Крис Дикуото. Это значит, что для организации производства не нужно строить фабрику полного цикла за миллиарды долларов. Для начала хватит и скромного «сборочного» производства.

Однако потенциальная простота конструкции — лишь одно из преимуществ. В каждой такой 12-дюймовой структуре до 160 млн пор. «Каждая работает словно микроскопическая батарейка», — говорит Дикуото. При этом общая поверхность трехмерной батареи в 70 раз выше, чем у современных двумерных решений. А каждая пора отделена от других, что, во-первых, предотвращает короткое замыкание, а во-вторых, позволяет заряжать батарею в разы быстрее.

Аноду батареи пористая структура тоже дает серьезные преимущества.

Дикуото утверждает, что обычный для Li-Ion батарей графит не используется. Заливая пористую основу чистым литием, в XNRGI получают плотность хранения энергии в 10 раз выше.

По расчетам авторов, такой анод может «переварить» за 15 минут достаточно энергии, чтобы зарядиться на 80%. А батарея Powerchip при равном весе обеспечит прирост «дальнобойности» электрокара на 280%, то есть примерно до 1100 км.

Новая технология обеспечивает прорыв и еще в одной сфере: аккумуляторы будущего будут не только быстро заряжаться, но и дольше служить. Главная причина естественной деградации после сотен подзарядок — дендриты. Это кристаллические образования, под микроскопом напоминающие ветви растений. Они проникают в катод и разрушают аккумулятор. Опыты показали, что благодаря кремниевым стенкам дендритам сложно распространяться за пределы отдельных пор. А отказ одной микробатарейки-поры не влияет на характеристики аккумулятора, где их миллионы.

Сейчас, помимо частных инвестиций, XNRGI получила деньги от Минэнерго США и выстраивает планы по захвату мира. В 2020 году, обещает Дикуото, батареи Powerchip появятся на скутерах и дронах. К 2022 или 2023 году он надеется предложить решения для электромобилей: их производители, наконец, смогут выбрать, ставить дальнобойную батарею обычного веса или ограничиться обычными 300-400 км, но сэкономить пару центнеров веса. В 2024 году он прогнозирует широкое внедрение.

Стоит отметить, что исследованием в области улучшения характеристик литий-ионных батарей заняты сотни команд по всему миру: аккумулятор нового поколения создают в самой секретной лаборатории Tesla, в США разработали революционный катод, а в Японии — материал для самовосстанавливающихся батарей. На фоне этого обещания XNRGI улучшить абсолютно все характеристики выглядят очень смело. Однако Digital Trends предлагает взглянуть на это с другой стороны: раз уж над этим работают десятки тысяч специалистов, может, не стоит так удивляться, что у кого-то, похоже, получилось.

Как заряжать и правильно эксплуатировать литий─полимерный аккумулятор?

В современных гаджетах используется всё больше литий─полимерных аккумуляторов. Этот тип батарей появился не так давно. Их конструкция и используемые материалы постепенно совершенствуются. Li─Pol аккумуляторы можно встретить в планшетах, некоторых моделях смартфонов и ноутбуков. Также они широко используются в игрушках и моделях на радиоуправлении. К нам приходит довольно много вопросов о том, как заряжать такие аккумуляторы. Об этом уже упоминалось в некоторых статьях. Поскольку эта тема пользуется большим спросом, мы решили вынести её в отдельную заметку.

Особенности литий─полимерных аккумуляторов

Этот вид литиевых батарей был разработан в результате совершенствования конструкции и функционирования литий─ионных АКБ. В последних используется жидкий электролит, из-за чего возникает ряд проблем при их эксплуатации. В результате специалисты разработали литий─полимерные аккумуляторы, которые имеют аналогичный принцип действия, но несколько иную конструкцию и другой электролит.

Остаётся только добавить, что литий─полимерные аккумуляторы могут выполняться малой толщины (до 1 мм) и практически любой формы. Кроме того, вместо стального или алюминиевого корпуса, как в Li─Ion, в них используется фольга. В большинстве из них обязательно присутствует контроллер заряда и разряда аккумуляторного элемента.

Как правильно заряжать и эксплуатировать Li─Pol аккумуляторы?

Теперь непосредственно о том, как заряжать литий─полимерные АКБ и об их правильной эксплуатации. Для начала нужно понять, что литий─полимерная аккумуляторная батарея должна весь срок эксплуатации иметь напряжение в определённых рамках. Эти границы в большинстве случаев от 2,7 до 4,2 вольта. Эти значения соответствуют минимальному заряду и максимальному.

Li─Pol аккумуляторная батарея

Так, что добиться максимального срока эксплуатации литий─полимерного аккумулятора можно, поддерживая уровень его заряда на уровне 40─60 процентов. Часто аккумуляторные батареи в продаже имеют примерно такой уровень заряда. Эти границы могут быть проконтролированы самим пользователем, а минимум и максимум заряда АКБ контролирует специальная плата. Она называется контроллером заряда-разряда.

О чём нужно помнить пользователям при зарядке АКБ?

Для пользователя можно назвать ряд простых правил при эксплуатации Li─Pol аккумуляторов:

  • Не доводите дело до минимального разряда батареи. Особенно не рекомендуется ждать до отключения телефона, планшета и т. п. Если это произошло, сразу ставьте АКБ на зарядку;
  • Не бойтесь делать частые подзарядки. То есть, пользуйтесь розеткой в любой подходящий момент. Если при этом литий─аккумулятор не заряжается целиком, то частые зарядки ему не вредят. Можно, к примеру, использовать ноутбук для зарядки телефона. Для этого просто подключите его к порту USB. Также можно немного восполнить заряд аккумулятора от прикуривателя в машине, если есть соответствующий переходник. И ничего страшного, если вы не зарядите АКБ до конца. Наоборот, это лучший режим для Li─Pol батарей;
  • Перезаряд аккумуляторной батареи может произойти даже при нормальной работе контроллера. Причиной здесь может стать рост температуры. К примеру, аккумулятор полностью зарядился и контроллер отключил банку от зарядки. Если дальше держать устройство на зарядке, оно может немного нагреться. Соответственно, нагреется и аккумулятор. Вместе с температурой растёт и заряд батареи. И это не способствует увеличению срока службы литий─полимерной АКБ;
  • В идеальном случае зарядка Li─Pol батареи должна находиться на уровне 50 процентов. В реальных условиях это сложно. Но поддерживать заряд в интервале 30─80 процентов вполне реально.

Некоторые дополнения

В заключение стоит отметить несколько моментов:

  • Литий─полимерные аккумуляторы не имеют «эффекта памяти», как Ni─Cd и Ni─MH. Поэтому тренировать зарядом-разрядом их бессмысленно. Для них можно проводить периодическую калибровку (раз в 2─3 месяца полный заряд-разряд) и этого достаточно;
  • Как и любые АКБ литиевого типа, Li─Pol плохо переносят охлаждение до отрицательных температур. Естественно, это не касается тех моментов, когда вы на морозе достали телефон позвонить. В этом случае он просто не успевает остыть;
  • При замене литий─полимерного аккумулятора в своём устройстве покупайте батарею аналогичного типа с такими же характеристиками (напряжение, разъём, тип и так далее).