Устройство аккумуляторов
Аккумуляторы, а в быту мы их называем «батареи», используются сейчас повсеместно в виду появления все большего числа различной электроники (например, смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотокамеры и др.). Вообще, аккумуляторы в электротехнике в широком смысле понимаются как специальные приборы, которые способны как накапливать заряд, так и расходовать его в зависимости от ситуации. С момента появления данные устройства существенно модернизировались и теперь облегчают жизнь человека в различных сферах. Но несмотря на большую распространенность аккумуляторов мало кто из потребителей полноценно знаком со спецификой их функционирования и, соответственно, с правилами их использования.
Главное предназначение любого типа аккумулятора – это накапливание электроэнергии для последующего ее использования в совершении каких-либо масштабных работ.
Помимо выше указанных аккумуляторов, используемых в современной цифровой технике, существуют более серьезные устройства.
Электрический аккумулятор функционирует по аналогичному принципу, что и гидравлическое устройство. То есть, первоначально электричество аккумулируется в устройстве от внешнего источника. После оно передается потребителям и используется для совершения тех или иных работ. Данные аккумуляторы являются химическими и отличаются возможностью неоднократного заряда/разряда.
В процессе заряда в аккумуляторе в непрерывном режиме совершаются те или иные химические реакции между электродными пластинами и тем химическим веществом, что заполняет пространство между ними. Последнее вещество именуется электролитом.
Примитивным образом схему устройства аккумулятора можно изобразить так: внутри корпуса размещается пара металлических пластин, оснащенных специальными выводами для контактов, а промежуток между ними заполняется электролитом.
Функционирование аккумулятора в процессе разряда и заряда
Разряд
Через замкнутую электрическую цепь протекает ток разряда. Например, при подключении к электродам нагрузки. Данный ток сформирован двигающимися в металлических элементах электронами, а также анионами и катионами, что находятся в электролите.
Данный процесс схематично отображен на рисунке с никель-кадмиевыми электродами. Материалом положительного электрода является окись никеля с добавлением графита, за счет чего возрастает электропроводимость. Основа отрицательно заряженного электрода – губчатый кадмий. При разряде из окиси никеля выделяются микрочастицы активного кислорода в электролит, после чего передаются на отрицательно заряженные пластины. Здесь происходит окисление кадмия.
Заряд
Во время отсутствия нагрузки на клеммы пластин из однородного металла происходит подача постоянного (реже пульсирующего) напряжения. Показатель данного напряжения несколько превышает то, которое присуще заряжаемому аккумулятору.
Все зарядные устройства имеют гораздо большую мощность, способную подавить энергию, неизрасходованную аккумулятором. В следствие чего возникает электрический ток, направление которого противоположно направлению разряда. При этом химические процессы претерпевают изменения.
Важно отметить, что процессы разряда и заряда изменяют химический состав электродов. Электролит же при этом не испытывает никаких изменений.
Каким образом могут соединяться аккумуляторы?
Аккумуляторы могут соединяться между собой двумя способами: параллельным соединением и последовательным.
Параллельный способ
То, какой показатель тока разряда может выдержать корпус аккумулятора, напрямую зависит от различных факторов. Например, очень важным моментом являются конструктивные особенности, используемые материалы, а также размеры. Таким образом, чем больше площадь имеющихся пластин, тем выше способность выдержать большие токи.
На данном принципе основано параллельное подключение аккумуляторов одного типа с существующей необходимостью увеличения показателя тока нагрузки. В данной ситуации необходимо будет увеличить мощность источника питания.
Данный метод крайне редко применяется в готовых конструкциях, поскольку сегодня гораздо удобнее купить полноценный аккумулятор. В основном параллельный способ применим в производстве кислотных автомобильных аккумуляторах для соединения пластин в единый блок.
Последовательный способ
В популярных в бытовом применении аккумуляторах напряжение между пластинами достигает 1,5 В или 2 В (на данный показатель также влияет используемый материал). Большая часть используемого электрооборудования требует более высокого напряжения. Для этого аккумуляторы одного типа соединяют последовательным образом, помещая их под единый корпус. Самый яркий пример – автомобильный аккумулятор, в основе которого серная кислота и электродные пластины из свинца.
Отметим важный и интересный факт: сегодня автолюбители привыкли называть аккумулятором любой источник питания, что не совсем верно. Например, правильное наименование напрямую зависит от числа составных элементов. Так, если несколько так называемых «банок» соединены единой схемой, то это уже батарея, а сокращенно АКБ – автомобильная аккумуляторная батарея.
Каждая «банка» имеет в своем составе два блока с пластинами, часть которых предназначена для отрицательных электродов, а часть – для положительных. Данные блоки не имеют металлического контакта между собой, а имеют крепкую гальваническую связь посредством электролита.
Между контактными пластинами установлен сепаратор – разделитель в виде дополнительной решетки с целью увеличения расстояния. Таким образом, соединенные в блоки пластины увеличивают показатель мощности подаваемых нагрузок.
Корпус данных АКБ изготовлен из прочной пластмассы и плотно закрывается крышкой. Сверху имеются две клеммы, используемые в подключении к электросхеме автомобиля.
Обязательно каждая клемма маркирована знаками полярности, а именно знаки «+» и «-«. также во избежание ошибочного подключения положительная клемма имеет больший диаметр, чем отрицательная.
Над каждой банкой также располагается специальная горловина, которая предназначена для отслеживания уровня электролита, а также для доливания воды при возникновении таковой необходимости вовремя эксплуатации. Горловина закрывается пробкой, дабы избежать попадания внутрь банки посторонних частиц и предотвратить выливание электролита при движении аккумуляторной батареи.
Пробки имеют отверстия, которые служат отводами возникающих при быстрой езде газов в электролите. Тем самым предотвращается возникновение давления внутри банок. То есть, через отверстия пробок выходят кислород и водород, а также образующиеся электролитом пары. Безусловно, лучше избегать ситуации, которые возникают из-за высоких токов заряда.
Свинцово-кислотные АКБ основаны на принципе двойной сульфатации. В таких устройства при заряде или разряде происходят электрохимические процессы, которые изменяют химический состав основной доли активных электродов, при этом либо выделяя в серную кислоту воду, либо поглощая ее из электролита.
Именно данные нюансы объясняют рост показателя плотности электролита во время заряда, а также его снижение во время разряда. Таким образом, степень плотности является показателем оценки состояния батареи. С целью измерения используется специально предназначенный для этого прибор – ареометр.
Как было сказано выше, в состав электролита кислотных АКБ входит вода. Известно, что при низких температурах она замерзает. Следовательно, для предотвращения замерзания АКБ с наступлением холодов необходимо следовать всем правилам эксплуатации.
Сегодня производители выпускают свыше 30 аккумуляторов. Различаются изделия между собой составом электродов и самого электролита. Например, в основу 12 популярных типов входит литий.
Электроды могут изготавливаться из свинца, железа, лития, титана, кобальта, кадмия, никеля, цинка, ванадия, серебра, алюминия и др. От того, какие вещества использованы в электродах, зависят свойства и характеристики аккумулятора и, соответственно, сфера использования.
Например, свинцово-кислотные АКБ используются в ИБП, автотранспорте, системах электроснабжения за счет высокой способности выдерживать колоссальные кратковременные нагрузки.
Гальванические стандартные батареи сегодня вытесняются никель-кадмиевыми, никель-цинковыми, никель-металлгидридными аккумуляторами.
В мобильных устройствах и другой цифровой технике, а также в электроинструментах, используются литий-ионные и литий-полимерные типы аккумуляторов.
Аккумуляторы различаются между собой также типом используемого электролита. Таким образом, устройства бывают щелочными и кислотными.
Также классифицируются устройства и по назначению. Например, сегодня особенно популярными внешние аккумуляторы, которые спасают владельцев современных смартфонов в ситуации отсутствия возможности подзарядки от электросети.
Важные характеристики аккумулятора – это емкость, плотность энергии, самозаряд и температура эксплуатации.
Торговая сеть «Планета Электрика» имеет в своем ассортименте аккумуляторы.
Устройство «умного аккумулятора» | Логический Элемент ⚡ Зарядные устройства для аккумуляторов
Обычная батарея аккумуляторов говорить не умеет, она — немая, т.к. по ней очень сложно определить степени ее заряда, или ее состояние. Пользователю остается только рассчитывать, что аккумулятор отключенный от зарядного устройства исправно выполнит свои функции.
В последнее время все более широкое распространение получают так называемые разумные аккумуляторы (батареи). Внутри батареи установлен микрочип, способный обмениваться информацией с заряжающим устройством и выдавать пользователю статистические данные об аккумуляторе. Обычно такие аккумуляторные батареи применяются для питания ноутбуков, сотовых телефонов и видеокамер, а также некоторых типов оборудования медицинского и военного предназначения.
Существуют разные типы разумных аккумуляторных батарей, отличающихся количеством функций, производительностью и стоимостью. Наиболее простыми считаются аккумуляторные батареи со встроенным чипом, предназначенным для идентификации типа аккумулятора в многофункциональных зарядных устройствах, для того чтобы автоматически установить правильный алгоритм заряда.
Аккумуляторные батареи со встроенной защитой от перезаряда, недозаряда и короткого замыкания, разумными называть не следует.
Наиболее совершенные разумные батареи обеспечивают определение состояния заряда. Первые чипы для разумных батарей появились в начале 90-ых годов. Сейчас их производством занимается большое число компаний. В конце 90-ых годов была разработана архитектура разумных аккумуляторных батарей с возможностью считывания степени их заряда. Это были 1- и 2-проводные системы. Большинство 2-проводных систем действует по протоколу SMBus(System Management Bus).
Аккумуляторные батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire
Системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire принадлежат к наиболее простым, и обмен данными в них реализовывается по одному проводу. Аккумуляторная батарея со встроенной системой с 1-проводным интерфейсом 1-Wire имеет только три вывода: положительный, отрицательный и вывод информации. Некоторые производители в целях безопасности вывод датчика температуры делают отдельно (рисунок 1).
Рис.1. Схема аккумуляторной батареи с 1-проводным интерфейсом
Современные батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire хранят специфические данные об аккумуляторе и отслеживают его температуру, напряжение, ток, степень заряда. Из-за простоты и относительно низкой цены они нашли широкое применение для аккумуляторов мобильных телефонов, портативных радиостанций.
Большинство аккумуляторных батарей с 1-проводным интерфейсом 1-Wire не имеют общего форм-фактора, не стандартизованы в них и способы измерения состояния аккумулятора. Все это в целом порождает проблему концепции универсального зарядного устройства. Кроме того, батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire позволяют определять состояние аккумулятора только в том случае, если батарея установлена в специально разработанное под эту систему зарядное устройство.
Аккумуляторные батареи с шиной SMBus
SMBus — наиболее совершенная из всех систем, так как является стандартом для портативных электронных устройств и использует единый стандартный протокол обмена данными. SMBus представляет из себя 2-проводной интерфейс, посредством которого простые микросхемы системы электропитания могут обмениваться данными с системой. По одному проводу передаются данные, по другому — сигналы синхронизации (рисунок 2). Основу этой шины составляет архитектура шины I2C. Разработанная фирмой Philips, шина I2C представляет собой синхронную многоточечную систему двунаправленного обмена данными, действующую при частоте синхронизации 100 кГц.
Рис.2. Схема аккумуляторной батареи с шиной SMBus
Системная архитектура разумных аккумуляторных батарей, используемая в настоящее время, была стандартизована компаниями Duracell/Intel еще в 1993 г. До этого производители портативных компьютеров разрабатывали собственные умные батареи. На основе новой спецификации был построен универсальный интерфейс, что к тому же позволило обойти отдельные препятствия, связанные с патентованной интеллектуальной собственностью.
Первые образцы аккумуляторных батарей с SMBus имели проблемы: электронные схемы не обеспечивали обработки данных с достаточной точностью, не обеспечивалось отображение как значения тока, так и значений напряжения и температуры в режиме реального времени. Было и множество других значительных проблем. В результате практически все технические решения, касающиеся реализации разумной батареи на базе SMBus, были модифицированы.
Смысл новых решений заключался в том, чтобы перенести функции управления процессом заряда с зарядного устройства на аккумуляторную батарею. Теперь уже не зарядное устройство, а сама батарея с системой на основе SMBus задавала алгоритм собственного заряда. Таким образом, обеспечивались совместимость зарядных устройств с батареями разных типов, правильная установка значений тока и алгоритма заряда, точное отсоединение батареи в момент окончания заряда. И, что важно, пользователю стало ненужным знать, аккумулятор какого типа он использует, — все эти заботы батарея брала на себя, а его функции сводились только к тому, чтобы вовремя ее заряжать.
Рассмотрим, что же такое разумная аккумуляторная батарея изнутри. Батарея с системой SMBus имеет микросхему, в которой запрограммированы постоянные и временные данные. Постоянные данные программируют на заводе-производителе, и они включают идентификационный номер батареи, сведения о ее типе, заводской номер, наименование производителя и дату выпуска. Временные данные — это те данные, которые периодически обновляются. К ним принадлежат количество циклов заряда, пользовательские данные и эксплуатационные требования.
SMBus разделяется на три уровня. Уровень 1 в настоящее время не применяется, т.к. не обеспечивает заряд различных по типу аккумуляторных батарей. Уровень 2 предназначен для внутрисхемного заряда. Пример этого — аккумуляторная батарея ноутбука, которая заряжается, будучи установленной. Уровень 3 зарезервирован для применения в многофункциональных внешних зарядных устройствах. К сожалению, из-за сложности такие зарядные устройства получаются дорогостоящими.
Аккумуляторные батареи с SMBus имеют и недостатки. Даже самые простые из них приблизительно на 25% дороже обычных аккумуляторных батарей. Несмотря на то, что разумные батареи были предназначены для того, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств, зарядные устройства уровня 3 обходятся намного дороже зарядных устройств для обычных аккумуляторов.
Существует и еще одна проблема — необходимость калибровки. Дело в том, что в процессе использования батарея может работать при различных токах нагрузки, и ее разряд может быть неполным. При этом часто случается так, что она запоминает текущее состояние емкости, которое не соответствует истинному значению. Поэтому периодически следует переучивать батарею, для того чтобы она при установлении алгоритма заряда учитывала свою реальную емкость. Выполняется это путем выполнения цикла полного разряда с последующим полным зарядом. Периодичность такой операции — ориентировочно один раз в три месяца или через каждые 40 циклов заряд/разряд. Такой же цикл следует провести и после длительного хранения батареи, перед ее вводом в эксплуатацию.
Недостатком является и проблема несовместимости: более поздние и более совершенные версии SMBus несовместимы с более ранними вариантами.
Материал сайта: www.powerinfo.ru
Правильная эксплуатация гелевых аккумуляторов, химические реакции в аккумуляторных батареях
Общие положения
Свинцово-кислотные аккумуляторы изготовлены по технологии с внутренней рекомбинацией воды, поэтому не требуют обслуживания в течение всего срока службы. В качестве электролита используется загущенная серная кислота в виде геля, что обеспечивает устойчивость аккумуляторов к глубоким разрядам и высокую температурную стабильность.
Расчетный срок службы составляет 12 лет.
Гелевые аккумуляторы предназначены для работы, как в буферном, так и в циклическом режимах.
Особенности конструкции:
Полностью герметичная конструкция, утечка электролита невозможна.
Система внутренней рекомбинации газа, нет необходимости в доливе воды.
Моноблоки снабжены регулирующими клапанами для обеспечения выпуска газа, при превышении внутреннего давления выше допустимого уровня.
Нет ограничений на перевозку воздушным, железнодорожным или автотранспортом.
Химическая реакция и механизм рекомбинации:
Химическая реакция, протекающая в аккумуляторе при заряде/разряде, описывается формулой:
PbO2 + 2H2SO4 + Pb Разряд/Заряд PbSO4 + 2H2O
При заряде кислород, проходя через сепаратор от положительной пластины, вступает в реакцию с активным веществом отрицательной пластины с образованием оксида свинца:
2Pb + O2 —> 2PbO
Оксид свинца, в свою очередь, вступает в реакцию с серной кислотой:
2Pb + 2H2SO4—> 2PbSO4 + 2H2O
Сформировавшийся на отрицательной пластине сульфат свинца восстанавливается кислородом до свинца с образованием серной кислоты:
2PbSO4+ 2H2—> 2Pb + 2H2SO4
Если упростить описанные выше уравнения, то получается следующее:
2H2 + O2 —> 2H2O
Разрядные характеристики
На рисунке ниже приведены кривые разряда гелевых аккумуляторов постоянным током до определенного конечного напряжения.
Разряд до напряжения ниже указанного снижает емкость и срок службы свинцово-кислотных батарей.
Разрядные кривые постоянным током при 25°С
Заряд
Правильный заряд является одним из важнейших условий успешной работы свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления. Правильный выбор зарядного устройства влияет самым непосредственным образом на производительность и срок службы батарей.
Заряд постоянным напряжением
Заряд постоянным напряжением – наиболее часто применяемый метод. На рисунке ниже показаны зарядные характеристики гелевого аккумулятора при заряде их постоянным напряжением 2,40 В/ячейку при начальных значениях тока 0,3 СА.
График заряда постоянным напряжением при 25°С
Для гелевых аккумуляторов диапазон зарядного напряжения буферного режима установлен в диапазоне 2,23–2,28 В/эл-т (при 25°С).
Для циклического режима диапазон зарядного напряжения установлен в диапазоне 2,38–2,42 В/эл-т (при 25°С).
Аккумуляторы гелевые не требуют уравнительного заряда. Буферного напряжения достаточно, чтобы поддерживать моноблоки в полностью заряженном состоянии.
Гелевые аккумуляторные батареи можно купить в интернет-магазине Реалсолар:
Аккумулятор Delta
GEL 12-100
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 100Ач 12В
Аккумулятор Delta
GEL 12-200
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 200Ач 12В
Аккумулятор Парус Электро
HMG-12-100
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 100Ач 12В
Аккумулятор Парус Электро
HMG-12-200
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 200Ач 12В
Двухстадийный заряд при постоянном напряжении
Этот метод является одним из наиболее эффективных и рекомендуется для быстрого заряда свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления и поддержания их в полностью заряженном состоянии (буферный режим).
Характеристики зарядного устройства для двухстадийного заряда постоянным напряжением приведены на рисунке ниже:
Зарядные характеристики двухстадийного зарядного устройства
На стадии «А» ток ограничен величиной 0,3 СА, а напряжение на клеммах батареи растет. На стадии «В» зарядный ток начинает падать, а напряжение стабилизируется на уровне 2,40 В/эл-т. На этой стадии уровень заряда аккумулятора достигает 80%. При достижении зарядным током уровня «точки переключения Y» зарядная цепь переключается на стадию «С», где зарядное напряжение падает с 2,40 до 2,25 В/эл-т, а ток плавно снижается практически до нуля. Зарядное устройство переходит в буферный режим.
Напряжение заряда зависит от температуры окружающей среды и должно регулироваться в соответствии с графиком показанном на рисунке ниже:
Зависимость зарядного напряжения от температуры окружающей среды
Напряжение заряда (на элемент) в буферном режиме вычисляется по формуле:
Uзаряда = 2,25 + (25 – (t + grad t +1)) · 0,0033
Напряжение заряда (на элемент) в циклическом режиме вычисляется по формуле:
Uзаряда = 2,40 + (25 – (t + grad t +1)) · 0,005
где t – температура окружающей среды, °С
grad t – температурный градиент аккумуляторного шкафа, °С.
При установке на открытые стеллажи grad t = 0.
Хранение и срок службы
Гелевые аккумуляторы могут храниться без подзаряда в течение 1 года в сухом помещении при температуре окружающей среды от –35° до +60°С.
Они рассчитаны на работу в буферном режиме работы в течение пяти лет (при 25°С). На рисунке ниже показана зависимость доступной емкости гелевого аккумулятора от времени. Газы, генерируемые внутри аккумулятора, непрерывно рекомбинируют и возвращаются в водную составляющую электролита. Потеря емкости и конец службы аккумуляторов наступают в результате постепенной коррозии электродов.
Срок службы в буферном режиме работы
Срок службы аккумуляторов в циклическом режиме работы зависит от целого ряда факторов
Наиболее существенными из них являются рабочая температура окружающей среды, скорость разряда, глубина разряда и способ заряда. На рисунке ниже показано влияние глубины разряда на количество циклов работы гелевых аккумуляторов при циклическом режиме.
Срок службы в циклическом режиме работы
По мере повышения температуры электрохимическая активность аккумулятора возрастает, а при понижении – падает. Поэтому при увеличении температуры окружающей среды емкость аккумулятора увеличивается, а при понижении температуры – уменьшается. Рисунок ниже демонстрирует влияние температуры на доступную емкость гелевых аккумуляторов.
Зависимость емкости от температуры окружающей среды при различных токах разряда
Температура окружающей среды является важным фактором, влияющим на срок службы аккумуляторов. При повышении температуры увеличивается скорость коррозии пластин, вследствие чего уменьшается срок службы. На рисунке ниже показана зависимость срока службы гелевых аккумуляторов от температуры окружающей среды.
Зависимость срока службы в буферном режиме от температуры окружающей среды
Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают саморазрядом, вследствие чего при хранении их доступная емкость со временем уменьшается.
Этот процесс описан графиком на рисунке:
Зависимость емкости от времени хранения
Если аккумуляторы хранились в течение длительного периода времени, необходимо перед пуском в эксплуатацию провести их подзарядку.
При сроке хранения до 6 месяцев подзарядка должна осуществляться в течение 4-6 часов постоянным током 0,1 СА, либо 15-20 часов постоянным напряжением 2,40 В/эл-т.
При сроке хранения свыше 6 месяцев подзарядка должна осуществляться в течение 8-10 часов постоянным током 0,1 СА, либо 20-24 часов постоянным напряжением 2,40 В/эл-т.
Рекомендации по монтажу:
Аккумуляторы предназначены для установки на изолированных стеллажах или в специальных батарейных шкафах в вертикальном положении. Допускается установка аккумуляторов в горизонтальном положении при вертикальном расположении пластин. Помещения не требуют принудительной вентиляции.
Если отнивелированность элементов не обеспечивается непосредственно самим способом установки, то необходимо с помощью чалика (нивелировочного шнура) отнивелировать элементы.
Расстояние между соседними боковыми стенками двух моноблоков (монтажная длина) задается длиной перемычек. При относительно длинных рядах монтируемых моноблоков рекомендуется начинать нивелировку монтажной длины с середины монтируемого ряда моноблоков, для того чтобы можно было в оба конца сглаживать набегающие допуски. Рекомендуемая минимальная величина воздушного зазора между аккумуляторами составляет от 5 до 10 мм.
Взаимоподключение единичных аккумуляторов осуществляется с помощью жестких изолированных перемычек, которые привинчиваются к полюсам или гибких кабельных перемычек. Перемычки привинчиваются с помощью динамометрического ключа. Осуществлять следующий крутящий момент 20 Нм ± 1 Нм.
Если используются две или более групп батарей, соединенных параллельно, то провода, кабели и шины, посредством которых эти батареи подключаются на нагрузку, должны быть одинаковой длины и обладать одним и тем же сопротивлением.
Последовательность монтажа аккумуляторов в батарею:
Соедините положительную клемму первого аккумулятора с отрицательной клеммой второго аккумулятора.
Таким образом, соедините все аккумуляторы в группе (под группой понимается набор аккумуляторов на одном ярусе или в одном ряду стеллажа).
Соедините аналогично п.1 аккумуляторы в остальных группах (если таковые имеются).
Подключите «земляной» вывод зарядного устройства или нагрузки к отрицательной клемме (если «земля» – отрицательная) последнего аккумулятора или последней группы.
Если имеются группы, соедините их между собой, начиная с последней (подключенной к «земляному» выводу).
В заключение, подключите положительную клемму первого аккумулятора или первой группы к положительному выводу зарядного устройства или нагрузки.
После окончания монтажных работ аккумуляторы необходимо пронумеровать, а наружные поверхности клемм, перемычек и узлов соединения смазать тонким слоем технического вазелина или синтетического солидола.
Рекомендации по эксплуатации:
Свинцово-кислотные гелевые аккумуляторы предназначены для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, в том числе в помещении с технологическим оборудованием и обслуживающим персоналом, при температуре от -20°С до +60°С.
Диапазон температуры хранения аккумуляторов от –35°С до +60°С.
Аккумуляторы поставляются предприятием-изготовителем в заряженном состоянии, заполненные электролитом и готовыми к эксплуатации.
Не рекомендуется установка аккумуляторов вблизи источников тепла. Поскольку аккумуляторы могут генерировать воспламеняющиеся газы, запрещается их установка вблизи оборудования, которое может давать электрический разряд в виде искр.
Запрещается установка и эксплуатация аккумуляторов в атмосфере, содержащей пары органических растворителей или адгезивов или контакт с ними.
Чтобы максимально повысить срок службы аккумуляторов, среднее значение тока пульсаций любого происхождения, протекающего через аккумулятор, не должно превышать 0,1 СА, а стабилизация зарядного напряжения должна быть в пределах 1%.
Очистку корпуса аккумуляторов всегда рекомендуется производить с помощью кусочка ткани, смоченного водой. Никогда не используйте для этих целей масла, органические растворители, такие как бензин, разбавители для краски и др.
Запрещается разбирать аккумулятор. В случае попадания электролита в глаза или на кожу, необходимо сразу промыть пораженный участок сильной струей чистой проточной воды и немедленно обратиться к врачу.
Прикосновение к токопроводящим частям аккумулятора может повлечь за собой электрический удар. Работу по проверке или обслуживанию аккумуляторов необходимо проводить в резиновых перчатках.
Использование разнородных аккумуляторов (различных емкостей, с различной историей применения, различной давностью изготовления и происходящих от разных изготовителей), может нанести ущерб, как самой батарее, так и связанному с ней оборудованию.
Гелевые аккумуляторные батареи можно купить в интернет-магазине Реалсолар:
Аккумулятор Delta
GEL 12-100
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 100Ач 12В
Аккумулятор Delta
GEL 12-200
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 200Ач 12В
Аккумулятор Парус Электро
HMG-12-100
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 100Ач 12В
Аккумулятор Парус Электро
HMG-12-200
Гелевая необслуживаемая аккумуляторная батарея,
емкость 200Ач 12В
Конструкция автомобильных аккумуляторов и аккумуляторных батарей
- Что такое АКБ?
- Виды АКБ, продаваемые в России
Что такое АКБ?
Что там внутри? Да все то же самое, что и раньше, поскольку принципиально конструкция аккумуляторов остается неизменной с незапамятных времен: свинцовые пластины и кислота.
Стандартный автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе 12 вольт. Каждый элемент состоит из свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в кислотный электролит.
Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные двуокисью свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с сернокислотным электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается.
Автомобильный аккумулятор выполняет три функции: во-первых, он запускает двигатель, во-вторых, питает некоторые электрические устройства, например, сигнализацию и телефон, когда двигатель не работает.
И, наконец, он «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой.
Аккумулятор обычно соседствует с двигателем. А как раз высокой температуры этот агрегат не переносит. Законы, ограничивающие уровень шума, заставляют производителей все тщательнее затыкать любые отверстия в отсеке двигателя, что приводит к повышению температуры в моторном отсеке. На сегодняшний день это, пожалуй, самая большая проблема для производителей аккумуляторов.
Ведь верхний предел рабочей температуры этих устройств — 100 градусов С, дальше электролит просто закипает. Но даже если температура и не достигает рокового предела, а только к нему приближается, срок службы батарей все равно снижается в три-четыре раза.
Свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) — вторичный источник электрической энергии. Это значит, что после глубокого разряда ее работоспособность можно полностью восстановить при помощи заряда — пропускания электрического тока в направлении, обратному тому, в котором протекал ток при разряде.
Работает АКБ по принципу превращения электрической энергии в химическую (при заряде) и обратном превращении — химической энергии в электрическую (при разряде). Активные вещества заряженного свинцового аккумулятора, принимающие участие в токообразующем процессе:
- на положительном электроде — двуокись свинца темно-коричневого цвета;
- на отрицательном электроде — губчатый свинец серого цвета.
Электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/смі, который, как и активная масса электродов, принимает участие в токообразующем процессе.
В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца (белого цвета). Поэтому теория, описывающая химические процессы, протекающие при заряде и разряде свинцового аккумулятора, называется теорией двойной сульфатации. При этом плотность электролита снижется к концу разряда до 1,08-1,10 г/смі.
Сегодня наиболее распространены автомобильные АКБ номинальным напряжением 12 В. Их емкость составляет от 36 до 190 А·ч.
Виды АКБ, продаваемые в России
У свинцовых стартерных АКБ в зависимости от исполнения свои конструктивно-технологические особенности, однако, в их устройстве много общего. Все они содержат разноименные электроды, разделенные сепараторами, которые помещают в сосуд, заполненный электролитом.
В зависимости от применяемых при производстве материалов и используемых конструктивных, технологических и эксплутационных особенностей, современные батареи можно подразделить на два основных вида: классического исполнения и необслуживаемого исполнения.
Классическое (традиционное) исполнение
Основы традиционного исполнения батарей сформировались уже в начале 20-го века и постепенно трансформировались до современного состояния по мере появления новых конструкционных материалов, но их эксплуатационные недостатки при этом сохранились.
В России батареи традиционного исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой.
Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 1) собирают в одном многоячеечном корпусе — моноблоке (2), выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками (16) на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных (5) и отрицательных (3) электродов, разделенных сепараторами (4). Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними кромками фиксирующих электроды опорных призм (1) служит для накаливания шлама — осадка, образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы положительных электродов.
Когда объем шламового пространства заполняется, происходит замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.
| Рис. 1 Аккумуляторная батарея с отдельными крышками |
Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции — решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому. Сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы, выполнена ребристой.
Борн (8), который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи привариваются полюсные выводы (9) и (14), служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью.
Положительный (9) и отрицательный (14) выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении АКБ к бортовой цепи автомобиля.
В верхней части электродного блока устанавливают щиток (7), предохраняющий верхние кромки сепараторов (4) от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.
Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой (15). В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока. Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации. После заливки электролита резьбовое отверстие закрывают пробкой из полиэтилена (11), имеющей небольшое вентиляционное отверстие (13), предназначенное для выхода газов при эксплуатации.
Для герметичной укупорки новых сухозаряженных батарей в верхней части пробки над вентиляционным отверстием выполнен глухой прилив.
Для обеспечения нормальной эксплуатации этот прилив, после заливки электролита в батарею, необходимо срезать.
Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 2.
В моноблоке (1) установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов (2) и (3), разделенных сепараторами (4). Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Крышка (7) сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации АКБ с общей крышкой метод контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от −50°C до 70°C).
Рис. 2 Аккумуляторная батарея с общей крышкой |
Необслуживаемое исполнение.
Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды.
За последние 20-25 лет, по мере развития технологии и совершенствования оборудования, появилось несколько разновидностей батарей так называемого «необслуживаемого» исполнения. Их основная отличительная особенность — использование сплавов с пониженным содержанием сурьмы или вовсе без нее для производства токоотводов.
Усовершенствование конструкции при создании необслуживаемых АКБ заключается еще и в том, что для увеличения запаса электролита без изменения высоты батареи, один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт, который изготовлен из микропористого полиэтиленового материала с низким электросопротивлением. В этом случае замыкание электродов различной полярности, при отсутствии сбоев в работе сборочного оборудования, практически исключено. Поэтому опорные призмы становятся ненужными, и блок электродов можно установить прямо на дно ячейки моноблока. В результате та часть электролита, которая раньше находилась в шламовом пространстве между призмами и не принимала участия в работе аккумулятора, теперь находится над электродами и пополняет его запас, расходуемый при эксплуатации батареи.
Первоначально такие батареи начали выпускать в США на базе свинцово-кальциевого сплава (0,07-0,1% Ca; 0,1-0,12% Sn; остальное — Pb) для токоотводов, положительного и отрицательного электродов.
Это снизило газовыделение, что обеспечило эксплуатацию АКБ без доливки воды в течение как минимум двух лет. Расход воды у этих батарей так мал, что конструкторы убрали из крышек отверстия для доливки воды и сделали батареи полностью необслуживаемыми. При этом самозаряд батарей замедлился более чем в 6 раз. Однако, при нескольких глубоких разрядах такие АКБ быстро теряют емкость и их стартерные характеристики резко снижаются, из-за чего они не нашли широкого распространения в Европе и России.
В это же время в США появились батареи системы «кальций плюс» (гибридные) с содержанием до 1,5-1,8% сурьмы и 1,4-1,6% кадмия в положительном токоотводе и свинцово-кальциевым отрицательным токоотводом. Характеристики этих батарей по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных, но все еще не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых.
К началу 80-х годов производство необслуживаемых батарей стало быстро развиваться в странах Европы.
Но там пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0% содержанием сурьмы. Однако, у таких АКБ расход воды и саморазряд в 2-3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами. Позже и в Европе появились так называемые гибридные батареи.
Наконец, в конце 90-х годов и в США, и в Западной Европе началось производство батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов, в том числе серебра, которые не боятся глубоких разрядов.
В России выпускаются необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А·ч с токоотводами из малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы 1,7-3,0%.
Следует отметить, что эксплуатация батарей без отверстий для доливки воды требует более точной работы системы энергосбережения автомобиля, а также более внимательного отношения автовладельцев к состоянию и исправной работе электрооборудования.
В первую очередь это касается натяжения ремня привода генератора и исправности самого генератора, а также регулятора напряжения. Отрицательно сказывается на состоянии батарей последнего поколения и наличие утечек тока в системе электрооборудования или сигнализацию.
Подавляющее большинство АКБ, поступающих в Россию из стран Европы, выпускают, как правило, в гибридном исполнении, либо с токоотводами обеих полярностей из свинцово-кальциевых сплавов. При изготовлении сухозаряженных батарей многие производители применяют для электродов обеих полярностей малосурьмяные сплавы с содержание сурьмы 1,6-1,8%.
Аккумуляторы Novak OP — официальный сайт производителя Novak
Особенности:
- Прозрачный корпус из SAN
- Доливка воды 1 раз в 1 –3 года
- Использование современных фильтр-пробок позволяет обеспечить взрывозащищённость конструкции и сократить
количество доливки воды.
- В аккумуляторе серии OP производства НовАК использованы в составе положительного электрода мышьяковисто-оловянная лигатура и запатентованный состав пасты.
- Электролит представляет собой раствор серной кислоты. Плотность электролита полностью заряженного аккумулятора равна 1,240+0,010 г/см3 при температуре 20°С.
- Напряжение постоянного подзаряда составляет 2,23+0,01 В/Эл при 20 °С.
Каталог аккумуляторов серии ОР производства НовАК
| Название | Номинальная емкость | Срок службы | Габариты (ДxШxВ) |
| ОР3 | 73 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР4 | 98 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР5 | 122 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР6 | 146 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР7 | 171 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР8 | 195 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР9 | 220 Ач | 25 лет | 122x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР10 | 244 Ач | 25 лет | 160x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР11 | 268 Ач | 25 лет | 160x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР12 | 293 Ач | 25 лет | 160x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР13 | 317 Ач | 25 лет | 198x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР14 | 342 Ач | 25 лет | 198x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР15 | 366 Ач | 25 лет | 198x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР16 | 390 Ач | 25 лет | 198x189x385 мм | Подробнее>> |
| ОР17 | 415 Ач | 25 лет | 236x189x385 мм | Подробнее>> |
Конструкция аккумулятора OP
- Плоская положительная пластина с нанесением активного вещества намазным способом изготовлена из
свинцово-сурьмяного сплава с низким содержанием сурьмы (не более 1,7%).
- Плоская отрицательная пластина изготовлена из свинцово-сурьмяного сплава с нанесением активного вещества намазным способом.
- Сепаратор между положительными и отрицательными пластинами выполнен из комбинированного микропористого и гофрированного листового материала.
- Корпус элементов изготовлен из прозрачного пластика (SAN). На корпусе имеются четко обозначенные метки минимального и максимального уровня электролита.
- Пробка является пожаровзрыво-безопасной.
- Борн изготовлен из свинца и содержит латунную вставку для улучшения электропроводимости и механической прочности.
- Межэлементная перемычка изготовлена из меди и имеет гальваническое покрытие.
Внешний вид аккумуляторов OP
Особенности плоской намазной пластины
Модернизация аккумуляторных батарей OP
Для дополнительной защиты борнов аккумуляторов серий АСК и OPот коррозии ООО «НовАК» модернизировало узел сочленения борна с крышкой. Новое уплотнительное кольцо препятствует возникновению коррозии в месте выхода борна из крышки и, как следствие, исключает возможность растрескивания крышки и бака аккумулятора.
| Температура окружающей среды, °С | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
Фактор коррекции емкости. Длительность заряда 10-59 мин.
|
0,680 | 0,770 | 0,850 | 0,940 | 1,000 | 1,035 | 1,065 | 1,090 | 1,110 |
Фактор коррекции емкости. Длительность заряда 1-24 часа
|
0,740 | 0,810 | 0,880 | 0,950 | 1,000 | 1,025 | 1,050 | 1,070 | 1,080 |
В случае эксплуатации при низких темпиратурах (до -40°С) могут поставляться элементы с плотностью электролита
1,300 на максимальном уровне.
Стандарты и сертификаты
- Рекомендованы заключением ПАО « Россети» для применения в электроэнергетике.
- Рекомендованы Управлением автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» для применения на железнодорожном транспорте. Технические условия согласованы с Управлением автоматики и телемеханики ОАО РЖД.
Условия хранения
Максимальное время хранения полностью заряженного элемента при температуре 20°С составляет 6 месяцев. В случае длительного хранения желательно производить перезарядку 1 раз в 3 месяца.
Видеогалерея
Технология VARTA® EFB (улучшенная технология залитого аккумулятора): надежность и производительность
VARTA® предлагает продукты, основанные на улучшенной технологии аккумулятора с жидким электролитом (EFB), которые обеспечивают лучшую надежность и производительность по сравнению со стандартными свинцово-кислотными аккумуляторами для легковых и грузовых автомобилей.
Наши аккумуляторы создаются, чтобы отвечать конкретным требованиям потребителей и выпускаются на заводах в Европе, чтобы соответствовать высочайшим стандартам качества.
Технология EFB для автомобилей
Аккумуляторы EFB могут использоваться с частичным зарядом и не требуют глубокого заряда-разряда, как аккумуляторы AGM. Это возможно благодаря полиэстэровому сетчатому материалу, который добавляется на положительную поверхность пластины. Это помогает закрепить активный материал пластины, что повышает срок службы.
Преимущества:
- Производительность в состоянии частичного заряда и производительность при глубоких зарядах-разрядах более чем вдвое превышают показатели обычных аккумуляторов.
- Поддержка частых запусков двигателя и длительных периодов покоя двигателя.
- Улучшенный прием заряда по сравнению с обычными аккумуляторами с жидким электролитом.
- Конструкция, повышающая термостабильность для использования в подкапотных пространствах и в жарком климате.
- Идеально подходят для автомобилей, оборудованных системой Start-Stop без рекуперативного торможения, а также для автомобилей с повышенным энергопотреблением, от чего бы оно ни зависело: жесткий график поездок или множество аксессуаров и установленного оборудования.
- Кроме того, наши продукты серии EFB создаются с использованием технологии решетки PowerFrame®, которая обеспечивает высокую пусковую мощность и надежную производительность.
Технология EFB в грузовых автомобилях
VARTA® Promotive EFB — уникальный аккумулятор, специально разработанный для обеспечения высокой производительности в грузовых автомобилях, использующий новейшие технологии защиты от расслаивания электролита и вибрации. Это единственный на рынке продукт, с перемешивающими элементами, эксклюзивно разработанными и запатентованными компанией Clarios, ранее известной как Johnson Controls Power Solutions. Технология EFB обеспечивает надежную производительность для любых требовательных применений и идеально подходит для установки в хвосте рамы.
Преимущества:
- Уникальный перемешивающий элемент внутри аккумулятора предотвращает расслаивание электролита и является оптимальным решением для всех применений с глубоким разрядом. Это механическая система, которая использует силу инерции автомобиля для перемешивания электролита в аккумуляторе с жидким электролитом.
- Отличное крепление пластин с помощью горячего компаунда . Очень высокая виброустойчивость и наилучшая пригодность для установки в хвосте рамы обеспечивают высочайшую производительность продукта.
- Уникальная конструкция лабиринтной крышки обеспечивает 100% защиту от протечки и очень низкий расход воды.
- Высокая производительность в режиме циклирования гарантируется использованием технологии PowerFrame®, улучшенной пасты положительного электрода и адгезией активной массы к решетке. Это возможно благодаря полиэстеровому сетчатому материалу, который добавляется на положительную поверхность пластины и значительно увеличивает продолжительность срока службы в циклах.
- Сниженные гарантийные затраты.
Характеристики технологии EFB
Между пластиной и сепаратором применяется дополнительный полиэстеровый элемент, представляющий собой сетку. Эта сетка удерживает активную массу внутри пластины и предотвращает ее вымывание. В результате повышается устойчивость к глубокому заряду-разряду и обеспечивается более высокая заряжаемость.
Приклеенный на сепаратор стекловолоконный ворс помогает сохранять правильное положение пластин, что бы ни случилось, в любых условиях.
Циркуляция электролита (перемешивающий элемент)
Система циркуляции электролита предотвращает его расслаивание. Это элемент конструкции, который использует естественное движение автомобиля, чтобы обеспечивать постоянную циркуляцию электролита внутри аккумулятора. Электролит остается гомогенным, что улучшает заряжаемость и обеспечивает более длительный общий срок службы.
Подбор аккумулятора VARTA®
Тип транспортного средства:
Выберите Тип транспортного средства
Год производства:
Выберите Год производства
Производитель:
Выберите Производитель
Модель:
Выберите Модель
Модификация:
Выберите Модификация
Вы профессионал? Воспользуйтесь расширенным поиском на нашем портале для партнеров VARTA Partner Portal.
Найти продавца VARTA®
Pегион/Cтрану:
АвстрияБельгияБолгарияРеспублика ЧехияДанияГерманияИспанияФранцияХорватияИталияВенгрияНидерландыНорвегияПольшаПортугалияРумынияШвейцарияСловенияФинляндияШвецияВеликобританияЭлладаРоссияСербияТурцияЭстонияЛитваЛатвияАлбанияБосния и ГерцеговинаКосовоМакедонияЧерногорияАрменияАзербайджанБеларусьГрузияКазахстанКыргызстанМолдоваТаджикистанТуркменистанУзбекистанСловакияИсландияУкраина
Город / Индекс:
Радиус:
5 km10 km20 km50 km100 km500 km1000 km
Найти других продавцов
Химия аккумуляторов — Дизайн аккумуляторов
Основы химии аккумуляторов или, точнее, электрохимия. Это катод, анод и электролит. Что это такое, кто их производит, что будет дальше в плане развития, каковы последние исследования и каковы плюсы и минусы каждого из них.
Основные химические вещества:
Алюминий Воздух
Высокая плотность энергии и низкая стоимость. Алюминиевый анод и воздушный катод вместе с водным электролитом вырабатывают энергию за счет окисления алюминия кислородом воздуха. Однако серьезной проблемой является коррозия алюминиевого анода, что снижает емкость и сокращает календарный срок службы.
Ион алюминия
Металлический алюминиевый анод может обмениваться тремя электронами во время электрохимического процесса, следовательно, может обеспечивать высокую теоретически высокую объемную и гравиметрическую емкость. Однако требуется разработка анода, катода и электролита, прежде чем этот тип элемента сможет использовать высокую плотность энергии со стабильностью в течение срока службы циклов.
Dual-Ion
Аккумуляторная технология, предлагающая недорогое решение для сетевого хранения. Катионы и анионы участвуют в процессах интеркаляции и деинтеркаляции с использованием графита в качестве материала катода и анода.
Fluoride-Ion
Рассматривается как замена литиевой и, возможно, постлитиевой технологии с «до 7-кратным увеличением Втч/кг» текущей литиевой технологии.
Свинцово-кислотный
Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой аккумулятор с электродами из оксида свинца и металлического свинца, которые разделены электролитом из серной кислоты. Энергоемкость 40-60 Втч/кг.
Lithium Air
Обещанная ионно-литиевая технология с непревзойденной плотностью энергии. Однако, несмотря на то, что было предпринято огромное количество научных усилий для понимания химии и реакций, на данном этапе она еще недостаточно развита, чтобы превратиться в работоспособную батарею. Во всяком случае, акцент сместился на твердотельные литий-ионные аккумуляторы.
Литий-ионный
В перезаряжаемой литий-ионной батарее ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разрядки и обратно при зарядке. Текущие производственные ячейки имеют плотность энергии ~ 280 Втч / кг.
Катод представляет собой оксид лития из переходного металла, например марганец или кобальт, или комбинацию переходных металлов: LCO, LMO, NCA, NMC, LFP, LMFP. Анод обычно представляет собой материал на основе графита, который может интеркалировать или выделять литий, он может содержать процент кремния для увеличения емкости. В качестве альтернативы анодом может быть титанат лития (LTO).
Lithium Sulfur
Возможно, наиболее зрелый химический состав литий-ионных аккумуляторов с потенциальной плотностью энергии >600 Втч/кг. Также с возможностью существенного снижения затрат и повышения безопасности. Тем не менее, ряд проблем означает, что срок службы цикла был плохим. Поэтому потенциал привлекает внимание и столь необходимые исследования на этапе фундаментальной химии.
Magnesium-Ion
Функция очень похожа на литий-ионные батареи, сравнимая плотность энергии с литий-ионными батареями, а также потенциал для улучшения, поскольку на каждый отдельный ион магния приходится вдвое больше электронов.
Магния больше, чем лития. Однако возможных побочных реакций с ионом магния гораздо больше.
Никель-кадмий
Перезаряжаемая батарея, в которой в качестве электродов используется гидроксид оксида никеля и металлический кадмий.
Никель-металлогидридный аккумулятор
Никель-металлогидридный аккумулятор имеет катод из гидроксида никеля, анод из гидрида металла (используются различные металлические сплавы) и электролит на основе водного раствора гидроксида калия. Это химия перезаряжаемой батареи, которая была заменена ионно-литиевой, но нашла широкое применение в гибридах Toyota. Плотность энергии 40-110 Втч/кг на уровне ячейки.
Ион калия
Потенциал может быть недорогой химией, основанной на хранении, но большое большое изменение ~60% графита с введением ионов К создает высокую нагрузку на решетку и, таким образом, ограничивает циклирование. Развитие технологий отстает от аккумуляторов на основе лития и натрий-иона.
Натрий-ион
Аналогичен литий-ионному аккумулятору, но с использованием ионов натрия (Na+) в качестве носителей заряда.
Работа химического состава на основе натрия и конструкция элемента почти идентичны работе коммерчески распространенных типов литий-ионных аккумуляторов, но вместо соединений лития используются соединения натрия.
Твердотельный
Любая аккумуляторная технология, в которой используются твердые электроды и твердый электролит. Это предлагает потенциальные улучшения плотности энергии и безопасности, но имеет очень серьезные проблемы с цикличностью, производством и долговечностью твердого сэндвича.
Цинк-Воздух
Пожалуй, самая многообещающая технология металл-воздушных батарей. Обычно он имеет цинковый анод, проницаемый для кислорода катод, сепаратор и едкий щелочной электролит. Перспективная низкая стоимость, высокая стабильность и высокая плотность энергии.
Ссылки
- Jianmin Ma et al, «Дорожная карта аккумуляторных технологий на 2021 год» , 2021 J. Phys. Д: заявл. физ. 54 183001
Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей | Новости Массачусетского технологического института
Настоятельная необходимость сократить выбросы углерода побуждает к быстрому переходу к электрифицированной мобильности и расширенному использованию солнечной и ветровой энергии в электрической сети.
Если эти тенденции будут усиливаться, как ожидается, потребность в более совершенных методах хранения электроэнергии возрастет.
«Нам нужны все стратегии, которые мы можем получить, чтобы противостоять угрозе изменения климата», — говорит Эльза Оливетти, доктор философии 2007 года, адъюнкт-профессор Эстер и Гарольда Э. Эдгертон в области материаловедения и инженерии. «Очевидно, что разработка технологий для хранения на основе сетки в больших масштабах имеет решающее значение. Но для мобильных приложений — в частности, для транспорта — многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшней литий-ионной батареи, чтобы сделать ее более безопасной, компактной и способной хранить больше энергии для своего размера и веса».
Традиционные литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться, но у них есть ограничения, которые сохраняются, отчасти из-за их структуры. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — положительного и отрицательного — зажатых вокруг органической (углеродсодержащей) жидкости.
Когда батарея заряжается и разряжается, электрически заряженные частицы (или ионы) лития проходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.
Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться. «Батарейки, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все же существует», — говорит Кевин Хуанг, доктор философии 15 года, научный сотрудник группы Оливетти.
Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для использования в транспортных средствах. Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают место и увеличивают общий вес автомобиля, снижая эффективность использования топлива. Но оказалось трудно сделать современные литий-ионные батареи меньше и легче, сохранив при этом их плотность энергии, то есть количество энергии, которое они хранят на грамм веса.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи, чтобы сделать ее полностью твердотельной или «твердотельной» версией.
Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, который стабилен в широком диапазоне напряжений и температур. С этим твердым электролитом они используют положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод большой емкости из металлического лития, который намного тоньше, чем обычный слой пористого углерода. Эти изменения позволяют значительно уменьшить общую емкость батареи, сохранив при этом ее емкость хранения энергии, тем самым достигнув более высокой плотности энергии.
«Эти функции — повышенная безопасность и большая плотность энергии — вероятно, являются двумя наиболее часто рекламируемыми преимуществами потенциальной твердотельной батареи», — говорит Хуанг. Затем он быстро поясняет, что «все эти вещи являются перспективными, ожидаемыми и не обязательно реализованными». Тем не менее, многие исследователи изо всех сил пытаются найти материалы и конструкции, которые могут выполнить это обещание.
Думая за пределами лаборатории
Исследователи придумали много интригующих вариантов, которые выглядят многообещающе — в лаборатории.
Но Оливетти и Хуанг считают, что дополнительные практические соображения могут быть важны, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата. «Всегда есть показатели, которые мы, исследователи, используем в лаборатории для оценки возможных материалов и процессов», — говорит Оливетти. Примеры могут включать емкость накопителя энергии и скорость зарядки/разрядки. При проведении фундаментальных исследований, которые она считает необходимыми и важными, эти показатели уместны. «Но если целью является внедрение, мы предлагаем добавить несколько показателей, специально учитывающих возможности быстрого масштабирования», — говорит она.
Основываясь на отраслевом опыте работы с современными литий-ионными батареями, исследователи из Массачусетского технологического института и их коллега Гербранд Седер, заслуженный профессор инженерии Дэниела М. Теллепа Калифорнийского университета в Беркли, предлагают три общих вопроса, которые могут помочь определить потенциальные ограничения на будущее масштабирование в результате выбора материалов.
Во-первых, с такой конструкцией батареи могут ли доступность материалов, цепочки поставок или волатильность цен стать проблемой при расширении производства? (Обратите внимание, что экологические и другие проблемы, связанные с расширением добычи, выходят за рамки этого исследования.) Во-вторых, будет ли изготовление батарей из этих материалов включать в себя сложные производственные этапы, во время которых детали могут выйти из строя? И, в-третьих, производственные меры, необходимые для обеспечения высокопроизводительного продукта на основе этих материалов, в конечном итоге снижают или повышают стоимость производимых аккумуляторов?
Чтобы продемонстрировать свой подход, Olivetti, Ceder и Huang изучили некоторые химические составы электролитов и структуры батарей, которые в настоящее время изучаются исследователями. Чтобы выбрать свои примеры, они обратились к предыдущей работе, в которой они и их сотрудники использовали методы анализа текста и данных для сбора информации о материалах и деталях обработки, описанных в литературе.
Из этой базы данных они выбрали несколько часто упоминаемых вариантов, которые представляют собой ряд возможностей.
Материалы и наличие
В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов — оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу. Olivetti, Ceder и Huang сосредоточились на одном многообещающем варианте электролита в каждом классе и рассмотрели ключевые элементы, вызывающие озабоченность для каждого из них.
Сульфидом, который они рассматривали, был LGPS, который объединяет литий, германий, фосфор и серу. Исходя из соображений доступности, они сосредоточились на германии, элементе, который вызывает опасения отчасти потому, что он обычно не добывается сам по себе. Вместо этого это побочный продукт, получаемый при добыче угля и цинка.
Чтобы выяснить его доступность, исследователи изучили, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка, а затем сколько можно было произвести.
Результат показал, что даже в последние годы можно было произвести в 100 раз больше германия. Учитывая этот потенциал предложения, доступность германия вряд ли будет ограничивать масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.
Ситуация выглядела менее многообещающе с выбранным исследователями оксидом LLZO, который состоит из лития, лантана, циркония и кислорода. Добыча и переработка лантана в основном сосредоточены в Китае, и доступные данные ограничены, поэтому исследователи не пытались анализировать его доступность. Остальные три элемента доступны в изобилии. Однако на практике необходимо добавить небольшое количество другого элемента, называемого легирующей добавкой, чтобы облегчить обработку LLZO. Поэтому команда сосредоточилась на тантале, наиболее часто используемой легирующей примеси, как на главном элементе, вызывающем озабоченность в LLZO.
Тантал производится как побочный продукт добычи олова и ниобия. Исторические данные показывают, что количество тантала, полученного при добыче олова и ниобия, было гораздо ближе к потенциальному максимуму, чем в случае с германием.
Таким образом, доступность тантала больше беспокоит возможное масштабирование батареи на основе LLZO.
Но знание о наличии элемента в земле не относится к шагам, необходимым для доставки его производителю. Поэтому исследователи исследовали дополнительный вопрос, касающийся цепочек поставок критически важных элементов — добычи, переработки, переработки, доставки и так далее. Предполагая, что имеются обильные запасы, могут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?
В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочки поставок германия и тантала должны будут расти из года в год, чтобы обеспечивать батареями планируемый парк электромобилей в 2030 году. Например, парк электромобилей часто называют целью к 2030 году потребуется произвести достаточное количество батарей, чтобы вырабатывать в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии. Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50 процентов из года в год — натяжка, поскольку максимальный темп роста в прошлом составлял около 7 процентов.
Используя только батареи LLZO, цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов — темпы роста намного превышают исторический максимум примерно в 10 процентов.
Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок при оценке различных твердых электролитов с точки зрения их потенциала масштабирования. «Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок в соответствии с будущим производством электромобилей может потребовать буквально беспрецедентных темпов роста», — говорит Хуанг. .
Материалы и обработка
При оценке потенциала масштабирования конструкции батареи следует учитывать еще один фактор — сложность производственного процесса и то, как он может повлиять на стоимость. Изготовление твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и сбой на любом этапе увеличивает стоимость каждой успешно произведенной батареи.
Как объясняет Хуанг: «Вы не отправляете неисправные аккумуляторы; ты их выбрасываешь. Но вы все равно потратили деньги на материалы, время и обработку».
В качестве показателя сложности производства Olivetti, Ceder и Huang изучили влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей в своей базе данных. В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO. LLZO чрезвычайно хрупок, и при высоких температурах, связанных с производством, большой лист, достаточно тонкий для использования в высокопроизводительной твердотельной батарее, может треснуть или деформироваться.
Чтобы определить влияние таких отказов на стоимость, они смоделировали четыре ключевых этапа сборки аккумуляторов на основе LLZO. На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемого выхода — то есть доли от общего числа единиц, которые были успешно обработаны без сбоев. У LLZO выход был намного ниже, чем у других исследованных ими конструкций; и по мере того, как доходность снижалась, стоимость каждого киловатт-часа (кВтч) энергии батареи значительно росла.
Например, когда на последнем этапе нагрева катода вышли из строя еще 5 процентов блоков, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов за кВтч — нетривиальное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость таких батарей составляет 100 долларов за кВтч. Ясно, что производственные трудности могут оказать сильное влияние на жизнеспособность конструкции для широкомасштабного внедрения.
Материалы и характеристики
Одна из основных проблем при проектировании полностью твердотельной батареи связана с «интерфейсами», то есть где один компонент встречается с другим. Во время производства или эксплуатации материалы на этих границах раздела могут стать нестабильными. «Атомы начинают перемещаться туда, куда не должны, и производительность батареи снижается», — говорит Хуанг.
В результате большое количество исследований посвящено поиску методов стабилизации интерфейсов в батареях различных конструкций. Многие из предложенных методов действительно повышают производительность; и в результате стоимость батареи в долларах за кВтч снижается.
Но реализация таких решений, как правило, требует дополнительных материалов и времени, что увеличивает стоимость кВтч при крупномасштабном производстве.
Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, исследователи сначала исследовали свой оксид LLZO. Здесь цель состоит в том, чтобы стабилизировать поверхность раздела между электролитом LLZO и отрицательным электродом, вставив между ними тонкий слой олова. Они проанализировали влияние — как положительное, так и отрицательное — на стоимость внедрения этого решения. Они обнаружили, что добавление сепаратора олова увеличивает емкость накопления энергии и улучшает производительность, что снижает удельную стоимость в долларах/кВтч. Но стоимость включения слоя олова превышает экономию, так что окончательная стоимость выше первоначальной стоимости.
В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из лития, фосфора и серы с небольшим добавлением хлора. В этом случае положительный электрод включает в себя частицы материала электролита — метод обеспечения того, чтобы ионы лития могли найти путь через электролит к другому электроду.
Однако добавленные частицы электролита несовместимы с другими частицами в положительном электроде — еще одна проблема интерфейса. В этом случае стандартным решением является добавление «связующего», другого материала, который заставляет частицы склеиваться.
Их анализ подтвердил, что без связующего вещества производительность низкая, а стоимость батареи на основе LPSCl превышает 500 долларов США за кВтч. Добавление связующего значительно повышает производительность, а стоимость снижается почти на 300 долларов за кВтч. В этом случае стоимость добавления связующего во время изготовления настолько низка, что по существу реализуется все снижение стоимости от добавления связующего. Здесь метод, реализованный для решения проблемы интерфейса, окупается меньшими затратами.
Исследователи провели аналогичные исследования других многообещающих твердотельных батарей, о которых сообщалось в литературе, и их результаты были последовательными: выбор материалов батареи и процессов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на осуществимость и стоимость производство предлагаемой твердотельной батареи в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса.
Результаты также показали, что рассмотрение всех трех факторов вместе — доступности, потребностей в обработке и производительности батареи — важно, поскольку могут иметь место коллективные эффекты и компромиссы.
Оливетти гордится широким кругом проблем, которые может исследовать подход команды. Но она подчеркивает, что это не предназначено для замены традиционных показателей, используемых для выбора материалов и обработки в лаборатории. «Вместо этого он призван дополнить эти показатели, также широко рассматривая вещи, которые могут помешать масштабированию» — важное соображение, учитывая то, что Хуан называет «срочным тиканьем часов» чистой энергии и изменения климата.
Это исследование было поддержано Программой начального фонда Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (MITEI) Центр низкоуглеродной энергетики для хранения энергии; компанией Shell, одним из основателей MITEI; и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением транспортных технологий в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов.
Работа по анализу текста поддерживалась Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и MITEI.
Эта статья опубликована в весеннем выпуске 2021 года Energy Futures , журнала MIT Energy Initiative.
Понимание, проектирование и оптимизация аккумуляторных систем
Литий-ионные аккумуляторы
В модуле проектирования аккумуляторов представлены самые современные модели литий-ионных аккумуляторов. Вы найдете различные механизмы старения и высокоточные модели, такие как модель Ньюмана, доступные в 1D, 2D и полном 3D. Помимо самостоятельного моделирования электрохимических реакций, вы можете комбинировать их с теплообменом и учитывать структурные напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием в результате интеркаляции лития. Модуль также предоставляет функциональные возможности для настройки гетерогенных моделей, описывающих фактические формы пористого электролита и электродных частиц.
Изучение микроструктуры батареи помогает глубже понять ее характеристики.
Свинцово-кислотные батареи
Для моделирования свинцово-кислотных батарей программа включает зависимые переменные для ионного потенциала и состава электролита, а также электрического потенциала и пористости твердых электродов. Модель учитывает растворение и отложение твердых веществ. Встроенные функции позволяют также изучить, как различные конструктивные параметры влияют на производительность батареи, такие как толщина и геометрия электродов и сепараторов, геометрия токосъемников и фидеров и многое другое.
Generic Batteries
«Рабочая лошадка» модуля проектирования батарей — это подробная модель отдельных элементов батареи с положительным электродом, отрицательным электродом и сепаратором. С помощью общего описания пористых электродов вы можете определить любое количество конкурирующих реакций в электроде, а также связать их с электролитом произвольного состава.
Модуль позволяет описать пористый электролит и электролит в сепараторе любого состава с помощью теории концентрированных, разбавленных (уравнения Нернста-Планка) и фоновых электролитов в сочетании с теорией пористого электрода.
Что можно моделировать с помощью модуля проектирования батарей
Выполнение различных электрохимических анализов батарей с помощью программного обеспечения COMSOL ® .
Гетерогенные и гомогенные модели
Моделирование подробной структуры пористых электродов и пористого электролита для типового элементарного элемента батареи.
Рост границы твердого электролита (SEI)
Моделирование старения отрицательного графитового электрода литий-ионной батареи.
Напряжение, вызванное диффузией
Вычислить интеркаляционные напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием. 1
Короткое замыкание
Исследование внутреннего короткого замыкания батареи.
Pseudo-Dimension
Моделирование интеркаляции лития в частицы электрода.
Двухслойная емкость
Модели электрохимических конденсаторов и наноэлектродов.
Аккумуляторы NiMH и NiCd
Аккумуляторы модели с бинарными щелочными (1:1) электролитами.
Flow Batteries
Моделирование проточных свинцово-кислотных и ванадиевых аккумуляторов во время приложенного цикла зарядки-разрядки.
Металлическое покрытие
Укажите емкость узла электрода, чтобы избежать металлического литиевого покрытия во время высокоскоростной зарядки.
Эффекты пористости
Моделирование химических реакций под влиянием переноса частиц в пористой среде.
Спектроскопия импеданса
Изучение гармонического отклика батареи с использованием моделей высокой точности, основанных на физике.
Сосредоточенные модели с оценкой параметров
Определите упрощенную модель батареи на основе небольшого набора сосредоточенных параметров, которые соответствуют результатам высокоточных моделей экспериментальным результатам.
2
Особенности и функциональные возможности модуля проектирования аккумуляторов
Модуль проектирования аккумуляторов предлагает набор специализированных инструментов для имитации работы аккумуляторов в различных условиях эксплуатации.
Упрощенное моделирование аккумуляторов
Для более быстрого теплового анализа трехмерных аккумуляторных блоков можно использовать проверенные сосредоточенные (упрощенные) модели для каждого аккумулятора в аккумуляторном блоке. После проверки сосредоточенные модели могут давать превосходную точность в определенном диапазоне операций. Модуль проектирования батарей содержит сосредоточенные модели, основанные на физике и решающие электрохимические уравнения в нескольких пространственных измерениях.
Интерфейс Single Particle Battery моделирует распределение заряда в аккумуляторе с использованием отдельной одночастичной модели для положительного и отрицательного электродов аккумулятора.
Интерфейс Lumped Battery использует небольшой набор параметров с сосредоточенными параметрами для добавления вкладов в сумму всех потерь напряжения в батарее, происходящих от омических сопротивлений и, опционально, процессов переноса заряда и диффузии. Кроме того, вы можете определить модель батареи на основе произвольного количества элементов электрической цепи с помощью Интерфейс эквивалентной цепи батареи .
Пористые электроды с произвольным количеством электрохимических реакций
Аккумуляторные системы и химические вещества часто подвержены нежелательным побочным реакциям на электродах, и вы можете исследовать их влияние на циклы заряда и разряда, а также на саморазряд.
Типичные побочные реакции, которые вы можете смоделировать, включают выделение водорода, выделение кислорода, рост границы раздела твердого электролита, нанесение металлического покрытия, коррозию металла и окисление графита.
Исследования полностью нестационарной и импедансной спектроскопии
Аккумуляторные системы часто представляют собой закрытые системы, которые трудно изучать во время работы.
Переходные методы, такие как скачок потенциала, прерывание тока и спектроскопия импеданса, могут использоваться для характеристики батареи во время работы.
Выполняя исследования переходных процессов, вы можете выполнить оценку параметров в различных временных масштабах и на разных частотах, чтобы отделить омические, кинетические, транспортные и другие потери, которые могут быть причиной старения батареи. Используя методы переходных процессов, моделирование и оценку параметров, вы можете очень точно оценить состояние аккумуляторной системы.
Высокоточное моделирование аккумуляторов
Интерфейс Lithium-Ion Battery используется для расчета распределения потенциала и тока в литий-ионном аккумуляторе. Можно использовать несколько промежуточных электродных материалов, а также учитывать потери напряжения из-за слоев SEI.
Интерфейс Battery with Binary Electrolyte используется для расчета распределения потенциала и тока в обычной батарее.
Можно использовать несколько интеркалирующих электродных материалов, а также можно учитывать потери напряжения из-за образования пленки на пористых электродах.
Интеркалирующие частицы и транспорт в пористых структурах
Частицы в пористых аккумуляторных электродах могут быть твердыми (литий-ионный электрод) или пористыми (свинцово-кислотный, NiCd). В случае твердых частиц пористость в электроде находится между упакованными частицами. Однако перенос и реакции могут происходить в твердых частицах для небольших атомов, таких как атомы водорода и лития. Эти интеркалирующие частицы моделируются с помощью отдельного уравнения диффузии-реакции, определяемого по радиусу твердых частиц. Поток интеркалирующих частиц соединяется на поверхности частиц с частицами, которые транспортируются в поровом электролите между частицами. Виды интеркаляции и реакции предопределены для литий-ионных аккумуляторов, но вы можете использовать те же функции для моделирования интеркаляции водорода, например, в NiMH батареях.
В случае пористых частиц получается бимодальная структура пор: макропористая структура между упакованными частицами и микропористая структура внутри частиц. Уравнения реакции-диффузии в пористых частицах определяются так же, как и для интеркаляции частиц в твердых частицах.
Встроенная термодинамика и свойства материалов
База данных материалов аккумуляторов, включенная в модуль, содержит записи для ряда распространенных электродов и электролитов, что существенно сокращает объем работы, необходимой для создания новых моделей аккумуляторов.
Одним из наиболее трудоемких и подверженных ошибкам этапов моделирования аккумуляторных систем является сбор входных данных и их согласованное использование. Например, важно, чтобы положительный и отрицательный электроды определялись в одних и тех же системах отсчета. Потенциалы равновесного электрода (полуэлемента) должны быть измерены или откалиброваны для одних и тех же эталонных электродов, электролитов и температур, прежде чем они будут включены в одну и ту же модель аккумуляторной системы.
типов литиевых батарей: дизайн литиевых элементов
Литиевые батареи LFP: правильный выбор для погрузочно-разгрузочного оборудования
OneCharge предъявляет самые строгие требования к безопасности и качеству всех компонентов, чтобы обеспечить максимальную производительность и длительный срок службы наших литиевых батарей. Мы сотрудничаем с наиболее технологически продвинутыми и надежными производителями литиевых элементов. Мы выбираем поставщиков, которые соответствуют нашим высоким стандартам в следующих трех основных областях аккумуляторных технологий:
- электролит,
- катодные и анодные материалы,
- мембранная технология.
Мы работаем с ячейками с различным химическим составом, включая LFP, NMC и другие, но в основном ориентируемся на технологию LFP как на оптимальный выбор для приложений обработки материалов.
Электролит в литиевых элементах
Электролит играет ключевую роль в переносе положительных ионов лития между катодом и анодом.
Наиболее часто используемый электролит состоит из соли лития, такой как LiPF6, которая широко используется в батареях OneCharge.
В усовершенствованных литий-ионных элементах OneCharge используется электролит высокой чистоты, разработанный для оптимизации производительности и долговечности элемента. Он состоит из органических растворителей, соли LiPF6 и запатентованных добавок для повышения стабильности и предотвращения образования дендритов и деградации раствора.
Эти требования особенно важны для промышленных аккумуляторов с высокой плотностью энергии:
- стабильность при сильном разряде,
- увеличенный срок службы,
- высокая проводимость,
- высокая скорость разряда,
- улучшенная производительность в широком диапазоне температур,
- отличная термическая и гидролитическая стабильность,
- отличная устойчивость к перезарядке,
- LiPF6 высокой чистоты: >99,5%, свободная кислота <50 частей на миллион, вода <20 частей на миллион.
Катодные и анодные материалы литий-ионных аккумуляторов
В области литий-ионных технологий существует множество материалов для катодных электродов. Первоначально основным активным компонентом катода был оксид лития-кобальта. Сегодня кобальт часто заменяют железом (LFP), никелем, марганцем и алюминием (NMC, NCA). Катодные материалы требуют чрезвычайно высокого уровня чистоты и должны быть почти полностью свободны от нежелательных металлических примесей, таких как ванадий и сера.
Большинство аккумуляторов OneCharge состоят из элементов LFP, в которых долговечность катода повышается за счет добавления запатентованной комбинации наночастиц.
Эти аккумуляторные элементы имеют анодные электроды, изготовленные из натурального и искусственного графитового порошка, который подвергается интенсивной обработке перед запеканием на медной фольге. Графит представляет собой кристаллическое твердое вещество серо-черного цвета с металлическим блеском. Из-за своей электронной структуры он обладает высокой проводимостью — монокристалл может достигать 25 000 сименс на квадратный сантиметр (См/см2).
Обратимая электрохимическая способность сохраняется в течение нескольких тысяч циклов в батареях OneCharge с оптимизированными анодными электродами, которые являются чрезвычайно легкими, пористыми и прочными. Графитовая поверхность в элементах, которые мы используем, полностью совместима с остальным химическим составом наших литий-ионных аккумуляторов — солями, растворителями и связующими.
Наши элементы изготавливаются из отожженной медной фольги (типа RA), изготовленной из кованой меди, которая обычно используется для энергоемких и мощных приложений, таких как трансмиссии электромобилей (EV) и промышленных аккумуляторов.
Аккумуляторы OneCharge с самыми высокими требованиями требуют, чтобы анодные и катодные электроды элементов:
- обеспечивали высокую плотность энергии,
- обеспечивают стабильность при высокой скорости импульсного разряда,
- обеспечивают быструю скорость зарядки,
- демонстрируют устойчивость к естественному разложению.
Керамическая мембрана, используемая в литий-ионных элементах
Электрохимический элемент состоит из анода и катода, которые разделены ионопроницаемой или ионопроводящей мембраной — сепаратором — в качестве одного из основных компонентов. Мембраны, проводящие ионы лития, необходимы для долговременной стабильной работы аккумуляторных батарей. Рост металлических дендритов между электродами приводит к потенциальным коротким замыканиям. Чтобы свести к минимуму эти риски, в материал композитных сепараторов добавляют термостабильные негорючие керамические частицы.
Сепаратор должен препятствовать физическому контакту анода и катода друг с другом, обеспечивая при этом свободный перенос ионов. Основываясь на морфологии сепаратора, обычно существует два типа сепараторов, включая микропористые мембраны и нетканые пленки. Хотя сепараторы эффективно предотвращают короткие замыкания между анодом и катодом, их присутствие между двумя электродами снижает эффективную проводимость электролита, повышая импеданс элемента.
Этого можно было ожидать, поскольку присутствие сепаратора уменьшает общую площадь поперечного сечения пути, проводящего ионы лития, а извилистость открытых пор в сепараторе продлевает путь переноса ионов. Чем тоньше сепаратор, тем выше ионная проводимость, но существует компромисс между толщиной сепаратора и его механическими свойствами.
Современная современная технология литиевых элементов использует сепаратор с керамическим покрытием, который улучшает работу элемента при высоких температурах и повышает безопасность батареи.
Это технология ячеек, используемая в батареях OneCharge. Физические свойства их мембран демонстрируют:
- высокую термостойкость, пористость и извилистость пор,
- эффективная ионная проводимость,
- полная совместимость с комбинацией материалов анода и катода.
Подробнее о технологии литиевых батарей
Обзор литиевых батарейи TPPL. Это справедливое сравнение?
Поскольку популярность литий-ионных аккумуляторов продолжает расти, производители свинцово-кислотных аккумуляторов теперь предлагают аккумуляторы из чистого свинца с тонкими пластинами…
Новые тесты доказывают: литиевые батареи LFP живут дольше, чем NMC — OneCharge
Недавние независимые тесты на деградацию коммерческих литиевых батарей преподнесли большой сюрприз! Вопреки утверждениям многих литиевых сплавов на основе NMC…
Скорость зарядки литиевых батарей: факты и мифы
Если вы читаете это, вы, вероятно, подумываете о том, чтобы перевести свой парк вилочных погрузчиков и ручных домкратов на литий-ионные батареи.
Или вы можете быть…
Типы литий-ионных
Литий-ионные названы в честь их активных материалов; слова либо пишутся полностью, либо сокращаются их химическими символами. Серия…
Конструкции аккумуляторных батарейEV: обзор
Хорошо спроектированная аккумуляторная батарея должна конкурировать с бензиновыми двигателями, чтобы быть привлекательной для клиентов. Это настоящая проблема, потому что электрические батареи должны преодолевать сложные проблемы, которых нет у двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Вот некоторые распространенные проблемы, которые могут повлиять на производительность аккумуляторной батареи:
- Низкие температуры не позволяют батареям работать на полную мощность. Аккумуляторы лучше всего работают в определенном диапазоне температур, который составляет от 68°F до 77°F (от 20°C до 25°C). Очень важно поддерживать правильную рабочую температуру.
- Аккумуляторы со временем теряют часть доступной мощности из-за естественного износа. Производители электромобилей должны убедиться, что эта потеря мощности не влияет на впечатления от вождения.
- Аккумуляторные элементы должны быть сбалансированы для обеспечения оптимальной производительности, а это означает, что все они должны иметь одинаковое напряжение. Аккумуляторные элементы перебалансируются во время зарядки, но они теряют способность поддерживать этот баланс по мере старения. Кроме того, набирающая популярность быстрая зарядка усложняет балансировку.
Производители электромобилей должны убедиться, что эта потеря мощности не влияет на впечатления от вождения.Чтобы лучше понять сложность аккумуляторной технологии, давайте рассмотрим следующие темы:
- Что такое аккумуляторная батарея
- Компоненты аккумуляторной батареи
- Четыре основных типа конструкций аккумуляторных батарей
Что такое аккумулятор?
Аккумуляторная батарея — это устройство, которое накапливает электроэнергию для питания электрической системы, такой как электромобиль (EV) или система накопления энергии (ESS). Энергия хранится в ячейках, которые соединены друг с другом в аккумуляторной батарее.
Для обеспечения достаточной мощности аккумуляторным блокам требуется минимальный уровень напряжения, которого не может достичь один элемент. Поэтому несколько ячеек соединены последовательно для повышения напряжения. В некоторых конструкциях используются ячейки малой емкости. Для достижения желаемой энергии батареи элементы соединяются параллельно для повышения емкости. Ячейки, соединенные параллельно, обеспечивают питание, как если бы они были одной большой ячейкой.
Аккумуляторные блоки состоят из нескольких небольших секций, называемых аккумуляторными модулями (или подблоками). Эти модули включают меньшее количество ячеек, соединенных последовательно и параллельно. Обычно они имеют более низкое напряжение, что безопасно для обращения. Модули облегчают обслуживание, когда неисправно всего несколько элементов и если их можно заменить без замены всей батареи. Аккумуляторы электромобилей обычно состоят из 4–40 модулей, соединенных последовательно друг с другом.
Компоненты аккумуляторной батареи
Аккумуляторная батарея — самая дорогая часть электромобиля.
Это сложная система, состоящая из множества компонентов. Вот некоторые из важных компонентов.
- Элементы являются наиболее важными компонентами аккумуляторной батареи. Смесь материалов, из которых состоит клетка, известна как ее химия. Различные химические составы батарей могут обеспечивать различные характеристики и характеристики. Есть два распространенных типа ячеек: энергетические ячейки и энергетические ячейки. Существует также множество вариантов, обеспечивающих идеальный компромисс в зависимости от приложения. В индустрии электромобилей литий-ионный элемент (литий-ионный элемент) является наиболее распространенным химическим элементом. Иногда используются альтернативные химические вещества, такие как никель-металлогидридный (NiMH), который предлагает немного лучший жизненный цикл.
- Электрические соединители , такие как шины, провода или другие распределительные проводники, используются для последовательного или параллельного соединения между ячейками и группами ячеек. Эти соединения обычно выполняются с использованием ультразвуковой сварки или лазерной сварки. Соединение шин между модулями также может быть выполнено механически с помощью крепежных элементов.
- Материалы теплового интерфейса (TIM), такие как пасты, клеи и заполнители зазоров, вставляются между компонентами батареи для их механического соединения, улучшая тепловые свойства между поверхностями. С появлением структурных аккумуляторных батарей TIM становятся важными компонентами.
- Система управления батареями (BMS) защищает элементы, отслеживая ключевые параметры, такие как напряжение, ток и температура. Он отвечает за балансировку ячеек (для поддержания оптимальной производительности ячеек при правильном напряжении) и взаимодействует с несколькими системами, такими как управление двигателем и контроль температуры. Он также включает в себя защитные устройства, которые могут отключить батарею, если это необходимо.
- Система управления температурой батареи (BTMS) регулирует тепловую энергию в трансмиссии и кабине электромобиля, обеспечивая охлаждение или нагрев по мере необходимости для удовлетворения тепловых потребностей батареи и защиты элементов. BTMS включает в себя несколько компонентов, таких как теплообменник, трубы, шланги, охлаждающие пластины, насосы, клапаны и датчики температуры.
- Контакторная система — это переключатель, управляемый системой управления батареями. Он может разорвать электрическое соединение между основной батареей и высоковольтной шиной, которая подает ток на тяговый двигатель и другие высоковольтные компоненты.
- Корпус представляет собой жесткий кожух, который защищает батарею от факторов окружающей среды, таких как вода, пыль и соль. Это помогает поддерживать точную температуру и электрическую изоляцию в аккумуляторе, а также предотвращает такие повреждения, как ржавчина и медленные короткие замыкания.
- Система связи обеспечивает связь с другими компонентами электромобиля. Наиболее часто используемый протокол — CAN-шина.
Эти соединения обычно выполняются с использованием ультразвуковой сварки или лазерной сварки. Соединение шин между модулями также может быть выполнено механически с помощью крепежных элементов.
BTMS включает в себя несколько компонентов, таких как теплообменник, трубы, шланги, охлаждающие пластины, насосы, клапаны и датчики температуры.4 основных типа аккумуляторных батарей
12-вольтовые аккумуляторные батареи для аксессуаров
Благодаря низкому напряжению 12-вольтовые аккумуляторы используются в устройствах с низким энергопотреблением, таких как фары, радиосистемы и другие аксессуары.
В гибридных и бензиновых автомобилях они используются для запуска двигателя. В электромобилях они используются как источник энергии, способный функционировать без основной электрической батареи (тяговой батареи). Например, он используется для активации тяговой батареи и подачи питания на некоторые жизненно важные компоненты, если питание было отключено по соображениям безопасности.
Традиционно наиболее известный тип 12-вольтовых аккумуляторов производился с использованием химического состава свинцово-кислотных элементов и поэтому назывался свинцово-кислотным аккумулятором. Количество элементов в этих блоках было ограничено 6. Самые последние 12-вольтовые батареи представляют собой литий-ионные аккумуляторные блоки, литиевые элементы которых обеспечивают лучшую производительность и меньший вес.
Аккумуляторы 12 В имеют небольшой размер и обычно размещаются под капотом. Совсем недавно производители начали размещать их внутри багажника для повышения безопасности, поскольку это сводит к минимуму вероятность короткого замыкания во время аварий.
Поскольку спереди происходит больше столкновений, аккумулятор лучше защищен от ударов, когда он расположен сзади.
Гибридные аккумуляторные батареи
Гибридные аккумуляторы содержат меньше энергии, чем аккумуляторы электромобилей, и имеют гораздо меньшие размеры. Тем не менее, современные гибридные батареи обычно имеют запас хода от 30 до 50 миль (от 50 до 80 км). Их можно использовать для большинства поездок на короткие расстояния, не прибегая к двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Это серьезное улучшение по сравнению с самыми первыми моделями, которые предлагали всего 0,6 мили (1 км) автономии.
Гибридные аккумуляторные батареи дополняют двигатель внутреннего сгорания, когда он наименее эффективен, например, при ускорении. Цель состоит в том, чтобы максимально снизить расход бензина. Аккумулятор также может перезаряжаться, восстанавливая потраченную энергию при торможении (рекуперативное торможение).
Аккумуляторы для электромобилей
В отличие от аккумуляторов других конструкций, аккумуляторы для электромобилей представляют собой полноразмерные аккумуляторы, предназначенные для питания всего спектра транспортных средств, включая тяговый двигатель и аксессуары.
Текущие аккумуляторы для электромобилей предлагают от 20 до 130 кВтч энергии и могут использовать от 90% до 95% этой энергии — гораздо более высокий процент, чем другие типы аккумуляторов. Mercedes EQS — это электромобиль с самым большим запасом хода, обеспечивающий автономность в 485 миль (780 км). Аккумуляторы
EV составляют значительную часть веса и объема автомобиля. Они могут весить до 450 кг (1000 фунтов), что составляет четверть от общего веса автомобиля. Различные конструкции поставляются с высоким напряжением от 400 В до 9 В.00В. В самых последних разработках они интегрируются как часть конструкции автомобиля.
Высокопроизводительные аккумуляторные батареи
Высокопроизводительные аккумуляторные батареи предназначены для гонок Формулы Е. Они делятся на две категории: гибридные и чистые электромобили. Они изготовлены из композитных материалов для получения сверхлегкой конструкции. Некоторые высокопроизводительные аккумуляторы являются съемными, поэтому их можно заменять во время гонок.
Несмотря на свои небольшие размеры, эти батареи могут обеспечивать сверхвысокую мощность. Точнее, они могут выдавать несколько сотен кВт мощности, что достаточно для выработки электроэнергии на весь район. Их система охлаждения слишком большая из-за агрессивного энергопотребления.
Высокопроизводительные аккумуляторные блоки более энергоэффективны, чем другие типы аккумуляторов. Например, они могут восстановить большую часть потерянной энергии при торможении (рекуперативное торможение).
Эволюция конструкций аккумуляторных батарей
За последнее десятилетие конструкции аккумуляторных батарей претерпели значительные изменения, чтобы удовлетворить спрос на более широкий ассортимент батарей. Повышенный интерес к электромобилям также позволил оптимизировать производство за счет более передовых производственных технологий, таких как лазеры, для дальнейшего повышения качества и снижения затрат.
Сообщите нам о своем приложении
Улучшение конструкции новой батареи с помощью глубокого обучения
4 апреля 2022 г.
Семантическая сегментация: Автоматическое обнаружение дендритов (синий) и питтов (красный) с помощью Y-net, алгоритма глубокого обучения для автоматизации контроля качества и оценки новых конструкций батарей, который был запущен в NERSC на Кори и Перлмуттере.
Электромобили — неотъемлемая часть нашего будущего с чистой энергией: каждый раз, когда вы заменяете автомобиль, работающий на газе, вы экономите 1,5 тонны углекислого газа в год. Но для того, чтобы по-настоящему увеличить количество и доступность электромобилей, необходимо разработать новые решения для хранения энергии, чтобы производить более легкие автомобили с большим запасом хода и более мощными батареями.
Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Ирвине (UC Irvine) недавно продвинулась в этом направлении, разработав алгоритмы глубокого обучения для автоматизации контроля качества и оценки новых конструкций аккумуляторов.
.
Исследовательская группа, возглавляемая Даниэлой Ушизимой из лаборатории Беркли, штатным научным сотрудником отдела прикладной математики и вычислительных исследований и научно-исследовательским филиалом Института науки о данных Беркли, включает ученых из Национального исследовательского центра топливных элементов (NFRC) Калифорнийского университета в Ирвине и сотрудники Департамента электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли и Школы информации. Вместе они создали новые алгоритмы глубокого обучения для автоматизации проверки аккумуляторов с использованием данных, полученных с помощью передовых инструментов, в том числе с Advanced Light Source (ALS) Berkeley Lab. Используя рентгеновскую томографию в качестве входных данных, а также прототипы, определенные экспертами по батареям, исследовательская группа разработала автоматизированные методы для обнаружения дефектов в перезаряжаемых литий-металлических батареях и измерения их роста во время циклов работы батареи.
Исследователи сосредоточились на твердотельных литий-металлических батареях (LMB), которые отличаются от традиционных литий-ионных батарей тем, что в них используются твердые электроды и электролиты, обеспечивающие превосходные электрохимические характеристики и высокую плотность энергии.
«Это означает повышенную емкость хранения заряда и способность удерживать почти в два раза больше энергии, чем традиционная ионно-литиевая батарея — более высокая плотность энергии при меньшем весе и размере батареи», — сказал Ушизима, который предоставил более подробную информацию об этом исследовании во время презентации. Характеристика литий-металлических аккумуляторов с использованием рентгеновских изображений и машинного обучения на собрании Американского физического общества 16 марта. Среди ее соавторов Джером Кенум, Дэвид Перлмуттер, Дула Паркинсон из лаборатории Беркли, а также Ин Хуанг и Ирина Зенюк из NFCR.
Некоторые из проблем этой новой технологии заключаются в прогнозировании циклической стабильности батареи и предотвращении образования литиевых дендритов, отметила она.
Это вредное явление может возникать во время заряда и разряда LMB, когда литий может откладываться неравномерно, создавая дендриты (литиевое покрытие), что приводит к отказам, таким как короткое замыкание. Эти морфологии являются ключевыми для качества LMB, и их можно зафиксировать и проанализировать с помощью рентгеновской микротомографии (XRT). Алгоритмы машинного обучения и многомасштабное представление XRT из образцов LMB позволяют проводить количественную оценку дефектов LMB.
«Контроль качества и оценка качества требуют количественных показателей, что означает автоматическое обнаружение и измерение дендритов», — пояснил Ушизима. Для этого требуется запустить семантическую сегментацию, например, с помощью сверточных нейронных сетей (CNN). Среди множества алгоритмов сегментации, основанных на CNN, одной из первых CNN, протестированных исследовательской группой, была масштабируемая реализация U-net, которую они недавно опубликовали в Nature Scientific Data.
«Преимущество использования нашей сети U-net заключалось в возможности быстрой адаптации композитных изображений с керамической матрицей к новым данным микроКТ, поступающим от батарей», — сказала она.
«Наши последние усилия сосредоточены на современных алгоритмах, таких как преобразователи зрения. Одним из преимуществ является возможность изучения последовательности представлений из данных микроКТ как части захвата многомасштабных аспектов микроструктур микроКТ».
«Вот что мы делаем: мы создаем алгоритмы глубокого обучения для автоматизации проверки данных о батареях, полученных с помощью передовых инструментов визуализации в национальных лабораториях Министерства энергетики США, включая ALS лаборатории Беркли и Advanced Photon Source (APS) в Аргонне. », — добавил Ушизима, который также связан с центром хранения энергии Berkeley Lab
. ALS и APS являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.
О компьютерных науках в Berkeley Lab
Высокопроизводительные вычисления играют решающую роль в научных открытиях. Исследователи все больше полагаются на достижения в области компьютерных наук, математики, вычислительной науки, науки о данных, крупномасштабных вычислений и сетей, чтобы лучше понять себя, нашу планету и нашу вселенную.